CN112621755B - 面向多型号工业机器人的远程监控系统 - Google Patents

Abstract

一种面向多型号工业机器人的远程监控系统，包括上位机交互单元、数据存储单元和Web远程监控单元三大部分，其中上位机交互单元负责集中的数据采集，数据存储单元负责对采集到的数据分类存储，而Web远程监控单元则提供实时监控、数据管理和远程控制等功能。上位机交互单元运行时加载配置文件，启动数据采集，通过加载的配置文件从驱动库实例化设备驱动，开启多线程执行驱动中数据采集方法，采集的数据经过数据解析后由数据存储单元存入数据库中。设备控制分为本地控制和远程控制，本地控制通过设备驱动将控制命令传入机器人，远程控制则通过Thrift调用本地控制逻辑实现控制。而Web远程监控单元的远程控制功能主要与数据库交互以及通过Thrift进行。

Description

面向多型号工业机器人的远程监控系统

技术领域

本发明设计一种面向多型号工业机器人的远程监控系统。

背景技术

随着互联网技术的快速发展，信息化水平逐渐提高，人工智能、网络技术、大数据、云计算以及机器学习等技术逐渐融入到制造业中，智能制造也正式由概念阶段进入实际发展阶段。面对这新一轮工业革命，世界各国都开始意识到先进技术对制造业的重要作用，德国提出了“工业4.0”战略，欲利用信息物理系统提升制造水平；美国推出了“工业互联网”战略，瞄准设备联网的检测分析；日本超智能社会的“社会5.0”计划将智能制造囊括其中；中国也出台了“中国制造2025”计划。其本质都是为了加快发展新技术与制造业的融合，提高制造业智能化水平。

智能制造成为未来制造业发展的必然趋势，工业机器人等自动化设备大量的投入使用是智能制造业发展的基础与标志。据IFR(International Federation of Robotics)统计，2007年至2017年，全球范围内工业机器人交易额增长了200％，尤其是2017年，相较前一年增长了近29％。我国对工业机器人交易额的贡献尤为突出，2017年同比增长58％，居世界工业机器人交易额首位。需求推动发展，工业机器人应用的快速增长使得工业机器人产业也发展迅速。在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经形成了一批有影响力工业机器人公司，包括：日本的发那科、德国的库卡、瑞典的ABB和美国的Adept Technology等；在国内，工业机器人虽然刚起步，但也诞生了像新松、数控、埃斯顿这样一批势头强劲的工业机器人品牌。

工业机器人在焊接、包装、磨削和起重等柔性加工生产中应用越加广泛。对于企业而言，对工业机器人的集中监控能够及时发现设备预警和故障信息，并作出有效应对，避免故障停机或者减少停机时间。此外，对设备运行数据进行集中分析，有利于企业根据设备运行状况进行调整，最大程度保证工业机器人有效稳定运行，从而保障企业经济效益。

传统企业对于工业机器人的监控由于地域分散、设备多样以及工业网络的独立性，局限于现场的设备监控。对于设备运行数据的存储与分析需要购置大量昂贵服务器及相关硬件设备，极大提高了企业投入成本，限制了中小企业发展。除此之外，由于工业机器人结构复杂，维护设备正常运作需要技术人员有一定的水平和经验，并且机器人故障停机后从维修申请到人员派遣再到现场维修耗时耗力。

随着互联网、云计算等技术的融入，基于B/S结构的远程监控系统打破工业网络的孤立性，解决了工业设备集中监控难题。技术人员可以随时随地查看设备基本运行情况和维护信息，及时获取设备预警和故障信息。通过对设备运行数据分析实现设备的远程检修和维护，保障设备稳定运行，降低故障的同时，减少故障维修时间，极大降低停机风险和损失。此外，云服务使得中小企业不再需要购置大量昂贵的服务器设备，降低了企业投入成本，有利于中小企业发展与自动化转型。

本发明以多型号工业机器人为研究对象，设计一种面向多型号工业机器人远程监控系统。通过搭载于工业现场的数据交互模块实现对多型号工业机器人的集中数据采集，并将采集的数据存储到云端存储系统，通过云端Web远程监控模块实现对工业机器人的实时监控、集中数据管理和远程控制等。

发明内容

本发明要克服现有技术的上述问题，提供一种面向多型号工业机器人的远程监控系统。

本发明为解决现有技术问题所采用的技术方案是：

一种面向多型号工业机器人的远程监控系统，主要包括上位机交互软件单元、数据存储单元和Web远程监控单元三部分，其中数据上位机交互软件单元包含配置加载模块、数据采集模块、数据解析模块，负责集中的数据采集和单点设备控制的具体实现；数据存储单元包含Zookeeper模块、MySQL模块、Redis模块，通过加载的配置文件将采集的数据经过数据解析后由数据存储模块存入数据库中；而Web远程监控单元包含实时监控模块、数据管理模块、远程控制模块，提供实时数据监控、设备管理和远程控制等功能。上位机交互软件单元通过Socket通信采集工业机器人数据，对采集到的数据进行可视化处理，处理完毕后将数据上传至数据存储单元中分类进行存储。数据存储单元将存储的数据上传至Web远程监控单元中的数据管理模块进行数据分析。远程控制模块根据分析结果发送控制指令实现对工业机器人的远程控制。所述的面向多型号工业机器人的远程监控系统，具体如下：

配置加载模块：向数据采集模块、数据解析模块输出配置参数数据。配置加载模块通过配置界面对系统、设备驱动、数据解析的参数进行动态配置，提高驱动的重用性。配置加载模块用于设置数据采集模块与数据解析模块的连接参数以及系统所生成配置文件的名称和存储路径。

数据采集模块：输入配置加载模块的配置信息和工业机器人的Socket通信数据，向数据解析模块输出初始协议数据。数据采集模块读取配置加载模块配置文件信息，通过工业以太网与工业机器人建立Socket通信并采集机器人数据。数据采集模块采集的数据为机器人初始协议数据，需将初始协议数据输入至数据解析模块中进行语义解析。

数据解析模块：输入数据采集模块的工业机器人初始协议数据和配置加载模块的配置参数数据，向数据存储单元的三个存储模块输出位经过语义解析的可视数据。数据解析模块将数据采集模块获取的工业机器人数据进行数据类型转换，将其统一转换为带语义的直观可视数据，并按照数据类型分别输入数据存储单元的Zookeeper模块、MySQL模块、Redis模块中。其中，配置数据输入到Zookeeper模块中，持久化数据输入到MySQL模块中，缓存数据输入到Redis模块中。

Zookeeper模块：输入数据解析模块的配置数据并存储，向数据管理模块输出配置数据。Zookeeper模块对数据解析模块输入的配置信息进行统一管理，增强系统容灾恢复能力，并满足配置信息的复用需求。Zookeeper模块用来避免因本地服务器崩溃而导致数据交互模块配置信息的丢失问题，提高同类型工业机器人数据解析配置信息的重用性。

MySQL模块：输入数据解析模块的持久化数据并存储，向数据管理模块输出持久化数据。MySQL模块对数据解析模块输入的庞大数据量的持久化数据进行结构化存储，并针对不同的数据关系分别设计数据库表，满足整个系统高效的存取需求。

Redis模块：输入数据解析模块的缓存数据并存储，向数据管理模块输出缓存数据。Redis模块对数据解析模块输入的需在前端对变化做出及时响应的数据进行存储。并根据各数据块访问方式和读写需求的不同，采用多种数据类型进行存储，提高数据的可访问性和数据读写速度。

实时监控模块：向数据管理模块输出设备运行安全稳定状况信息。实时监控模块实时采集工业机器人作业现场视频和运行数据，并采用相关数据处理和图象处理算法对上传的设备运行数据和监控视频流进行分析，将所得分析结果上传至数据管理模块中进行统一管理，并发送预警信息。

数据管理模块：输入Zookeeper模块的配置数据、MySQL模块的持久化数据、Redis模块的缓存数据、实时监控模块的运行信息，向远程控制模块输出决策信息。数据管理模块通过对数据存储单元和实时监控模块传入的数据进行统一管理分析，实现控制命令的快速决策。数据管理模块用于配合远程控制模块的功能，便于及时定位工业机械臂故障信息并确定故障解决方案，并将决策信息输入至远程控制模块中。

远程控制模块：输入数据管理模块的决策信息，向工业机器人输出控制命令信息。远程控制模块通过实时监控模块获取预警信息以及数据管理模块的数据分析，远程调试工业设备，实现故障快速定位和简单的故障处理。远程控制模块可将控制指令通过网络远程发送给工业机器人，对工业机器人进行控制操作，可实现远程作业和故障维修的功能。

本发明实现对多型号工业机器人的统一数据采集，并通过B/S结构的Web端对工业机器人进行数据实时监控、统一管理和远程控制等。系统主要包括上位机交互单元、数据存储单元和Web远程监控单元三大部分，其中上位机交互单元负责集中的数据采集，数据存储单元负责对采集到的数据分类存储，而Web远程监控单元则提供实时监控、数据管理和远程控制等功能。上位机交互单元运行时加载配置文件，启动数据采集，通过加载的配置文件从驱动库实例化设备驱动，开启多线程执行驱动中数据采集方法，采集的数据经过数据解析后由数据存储单元存入数据库中。设备控制分为本地控制和远程控制，本地控制通过设备驱动将控制命令传入机器人，远程控制则通过Thrift调用本地控制逻辑实现控制。而Web远程监控单元的远程控制功能主要与数据库交互以及通过Thrift进行。

本发明的优点和积极效果是：

为了解决多型号工业机器人带来的集中管理、实时监控和故障处理难题，本文对多型号工业机器人的远程监控系统进行了研究。以UR、ABB等不同型号的工业机器人为研究对象，分别设计搭载于本地计算机的数据交互模块以及运行于云端服务器的远程监控模块。在单元测试的基础上，针对系统各模块功能进行集成测试，验证系统的可行性和功能的完善性。

上位机交互软件单元以配置、加载和驱动接口设计为核心，结合常用框架的设计思想，通过可视化界面动态配置所有工业机器人的连接参数和数据采集后的解析参数，并保存为XML文件进行集中管理，设备驱动则分别采用各机器人所支持的通信协议或者SDK来实现接口中所设计的抽象方法。上位机交互软件单元运行时从配置文件中加载设备信息，实例化工业机器人驱动，使用多线程对每一个设备分别进行数据采集、解析和存储。

Web远程监控单元的远程监控模块在J2EE平台基于SSM框架设计，实现了实时监控、数据管理和远程控制功能。基于Spark框架和YOLO目标检测算法实现对工业机器人运行数据和运行环境的实时监控。结合Redis和MySQL构建的存储结构设计数据处理模块，实现对工业机器人及系统相关信息的集中管理。采用Thrift的设计远程控制模块，解决大部分非硬件故障问题，避免不必要的现场维护。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图。

图2为本发明的机械臂图。

图3为本发明的工业机器人后台管理图。

图4为本发明的实时监控界面图。

图5为本发明的远程控制界面图。

具体实施方式

以下结合附图1对本发明做进一步详述。

一种面向多型号工业机器人的远程监控系统，实现对多型号工业机器人的统一数据采集，并通过B/S结构的Web端对工业机器人进行数据实时监控、统一管理和远程控制等。系统主要包括上位机交互单元、数据存储单元和Web远程监控单元三大部分，其中上位机交互单元负责集中的数据采集，数据存储单元负责对采集到的数据分类存储，而Web远程监控单元则提供实时监控、数据管理和远程控制等功能。上位机交互单元运行时加载配置文件，启动数据采集，通过加载的配置文件从驱动库实例化设备驱动，开启多线程执行驱动中数据采集方法，采集的数据经过数据解析后由数据存储单元存入数据库中。设备控制分为本地控制和远程控制，本地控制通过设备驱动将控制命令传入机器人，远程控制则通过Thrift调用本地控制逻辑实现控制。而Web远程监控单元的远程控制功能主要与数据库交互以及通过Thrift进行。

本发明专利的具体实施方式如下：

基于UR5和ABB120等机械臂设备构建现场环境。系统的数据交互模块进行数据采集与解析；对Web端远程监控与管理部分的实时监控、设备管理、用户管理和文件管理等功能界面进行管理；远程控制模块用于远程控制机械臂。

(1)硬件环境搭建：由底层向上依次进行，首先进行硬件环境搭建，如图2所示，以一台UR5机器人、一台ABB120机器人和RobotStudio中构建的虚拟ABB机器人为对象。首先对三台机器人进行系统配置，将三台机器人通过路由器构建于同一个局域网中，IP地址分别设置为192.168.10.11、192.168.10.12、192.168.10.13。然后进行数据交互模块配置，首先将数据交互模块所在计算机IP地址设置为固定IP“192.168.10.10”，使其处于构建的局域网中，接着通过config.xml设置系统初始参数，包括设备和解析配置文件的存储路径以及Redis、Zookeeper和MySQL连接参数。

(2)Web端部署：Web端远程监控系统部署于阿里云服务器，如图3所示。首先仿照本地配置在云服务器中手工部署运行环境，包括JDK、Tomcat、MySQL和Maven，接着使用PSCP(PuTTY Secure Copy client)将本地项目文件转移到云服务器中，并完成云端的项目部署。项目运行前先在数据库用户表中添加系统管理员用户，用户工号为2111803260，密码为初始12345a，邮箱为894517822@.qqcom，接着启动Web项目。

(3)远程监控：用户登录后进入实时监控主界面，实时监控模块分为实时数据监控和实时环境监控。如图4所示，为实时数据监控主界面图，经过Spark计算后的结果以预警信息形式展示在界面右侧。界面顶端显示了已注册工业机器人总数、在线工业机器人数和预警信息总数等统计信息。界面左侧显示当前工业机器人实时数据，通过下拉框选定设备对象。界面中间展示当前工业机器人的实时监控视频，下方则时该机器人的一些基本信息。

(4)远程控制：首先进行Web服务器与数据交互模块的连通，在Web客户端控制界面输入服务端计算机IP“192.168.10.10”和端口号9000，点击“测试连接”按钮发送连接请求。Web服务器根据请求调用Thrift的连接确认接口方法，返回true则表示连接可用。然后建立数据交互模块与工业机器人的连接，通过下拉框选择连接设备，点击“连接设备”按钮，通过远程调用服务端的连接方法创建服务端与指定设备的Socket连接通道，返回值为String类型的运行结果。连接成功后与设备关联的监控界面打开，界面刷新实时关节角度数据，设置角速度为0.1rad/s，角加速度为0.1/s^2，通过六关节的左右旋方向键控制机器人关节运动。如图5所示，为远程控制界面图，通过测试分析，远程界面功能完善，控制效果良好，能够完成基本的控制调试，但是受网络影响较大，界面数据相比本地控制界面存在一定延迟。

以上是整个系统的控制情况，以UR、ABB等不同型号的工业机器人为研究对象，分别设计搭载于本地计算机的数据交互模块以及运行于云端服务器的远程监控模块。在单元测试的基础上，针对系统各模块功能进行集成测试，验证系统的可行性和功能的完善性。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (1)

1.一种面向多型号工业机器人的远程监控系统，主要包括上位机交互软件单元、数据存储单元和Web远程监控单元三部分，其中上位机交互软件单元包含配置加载模块、数据采集模块、数据解析模块，负责集中的数据采集和单点设备控制的具体实现；数据存储单元包含Zookeeper模块、MySQL模块、Redis模块，通过加载的配置文件将采集的数据经过数据解析后由数据存储单元存储；而Web远程监控单元包含实时监控模块、数据管理模块、远程控制模块，进行实时数据监控、设备管理和远程控制；上位机交互软件单元通过Socket通信采集工业机器人数据，对采集到的数据进行可视化处理，处理完毕后将数据上传至数据存储单元中分类进行存储；数据存储单元将存储的数据上传至Web远程监控单元中的数据管理模块进行数据分析，远程控制模块根据分析结果发送控制指令实现对工业机器人的远程控制；

配置加载模块：向数据采集模块、数据解析模块输出配置参数数据；配置加载模块通过配置界面对系统、设备驱动、数据解析的参数进行动态配置，提高驱动的重用性；配置加载模块用于设置数据采集模块与数据解析模块的连接参数以及系统所生成配置文件的名称和存储路径；

数据采集模块：输入配置加载模块的配置信息和工业机器人的Socket通信数据，向数据解析模块输出初始协议数据；数据采集模块读取配置加载模块配置文件信息，通过工业以太网与工业机器人建立Socket通信并采集机器人数据；数据采集模块采集的数据为机器人初始协议数据，需将初始协议数据输入至数据解析模块中进行语义解析；

数据解析模块：输入数据采集模块的工业机器人初始协议数据和配置加载模块的配置参数数据，向数据存储单元的三个存储模块输出经过语义解析的可视数据；数据解析模块将数据采集模块获取的工业机器人数据进行数据类型转换，将其统一转换为带语义的直观可视数据，并按照数据类型分别输入数据存储单元的Zookeeper模块、MySQL模块、Redis模块中；其中，配置数据输入到Zookeeper模块中，持久化数据输入到MySQL模块中，缓存数据输入到Redis模块中；

Zookeeper模块：输入数据解析模块的配置数据并存储，向数据管理模块输出配置数据；Zookeeper模块对数据解析模块输入的配置信息进行统一管理，增强系统容灾恢复能力，并满足配置信息的复用需求；Zookeeper模块用来避免因本地服务器崩溃而导致数据交互模块配置信息的丢失问题，提高同类型工业机器人数据解析配置信息的重用性；

MySQL模块：输入数据解析模块的持久化数据并存储，向数据管理模块输出持久化数据；MySQL模块对数据解析模块输入的庞大数据量的持久化数据进行结构化存储，并针对不同的数据关系分别设计数据库表，满足整个系统高效的存取需求；

Redis模块：输入数据解析模块的缓存数据并存储，向数据管理模块输出缓存数据；Redis模块对数据解析模块输入的需在前端对变化做出及时响应的数据进行存储；并根据各数据块访问方式和读写需求的不同，采用多种数据类型进行存储，提高数据的可访问性和数据读写速度；

实时监控模块：向数据管理模块输出设备运行安全稳定状况信息；实时监控模块实时采集工业机器人作业现场视频和运行数据，并采用相关数据处理和图象处理算法对上传的设备运行数据和监控视频流进行分析，将所得分析结果上传至数据管理模块中进行统一管理，并发送预警信息；

数据管理模块：输入Zookeeper模块的配置数据、MySQL模块的持久化数据、Redis模块的缓存数据、实时监控模块的运行信息，向远程控制模块输出决策信息；数据管理模块通过对数据存储单元和实时监控模块传入的数据进行统一管理分析，实现控制命令的快速决策；数据管理模块用于配合远程控制模块的功能，便于及时定位工业机械臂故障信息并确定故障解决方案，并将决策信息输入至远程控制模块中；

远程控制模块：输入数据管理模块的决策信息，向工业机器人输出控制命令信息；远程控制模块通过实时监控模块获取预警信息以及数据管理模块的数据分析，远程调试工业设备，实现故障快速定位和简单的故障处理；远程控制模块可将控制指令通过网络远程发送给工业机器人，对工业机器人进行控制操作，可实现远程作业和故障维修的功能。

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