TWI823408B

TWI823408B - 機械設備雲端控制系統

Info

Publication number: TWI823408B
Application number: TW111119894A
Authority: TW
Inventors: 陳響亮; 謝英風
Original assignee: 國立成功大學
Priority date: 2022-05-27
Filing date: 2022-05-27
Publication date: 2023-11-21
Also published as: TW202347061A

Abstract

一種機械設備雲端控制系統，適用於控制多個機械設備，每一機械設備包括一運動機構，包含一伺服系統及至少一工作站系統。該伺服系統接收一來自一使用端且相關於一相關於該等機械設備的該等運動機構的運動軌跡的運動指令，並將該運動指令進行直譯，以產生一中間碼，並根據該中間碼進行邊緣運算，以產生一包括多個相關於該等機械設備的該等運動機構之運動參數的控制指令集。每一工作站系統包括一無線路由單元及多個嵌入式系統。該等嵌入式系統經由該無線路由單元接收該控制指令集，並根據該控制指令集控制所電連接機械設備。

Description

機械設備雲端控制系統

本發明是有關於一種控制系統，特別是指一種機械設備雲端控制系統。

現有的自動化控機械控制系統是每一個機械設備皆具備有一可程式化邏輯控制器（programmable logic controller, PLC），以進行機械設備的運動控制。

每一可程式化邏輯控制器可基於本身控制的機械設備的單體動作進行的控制，亦可基於其他的機械設備相互作用進行控制，也因此可程式化邏輯控制器間會通過工業用有線網路技術，例如乙太網控制自動化技術(EtherCAT)，進行連接。

然而，每一機械設備配置一可程式化邏輯控制器使得硬體成本過高，且廠商需要針對有線網路進行佈線設計，當機械設備需要移動時極其不便。

因此，本發明的目的，即在提供一種較低成本的機械設備雲端控制系統。

於是，本發明基於機械設備雲端控制系統，適用於控制多個機械設備，每一機械設備包括一運動機構，包含一伺服系統及至少一工作站系統。

該伺服系統經由一第一通訊網路與一使用端通訊連接，接收一來自該使用端且相關於一相關於該等機械設備的該等運動機構的運動軌跡的運動指令，並將該運動指令進行直譯，以產生一中間碼，並根據該中間碼進行邊緣運算，以產生一包括多個相關於該等機械設備的該等運動機構之運動參數的控制指令集。

每一工作站系統包括一無線路由單元及多個嵌入式系統。

該無線路由單元經由該第一通訊網路與該伺服系統通訊連接，接收來自該伺服系統的該控制指令集。

該等嵌入式系統分別與多個機械設備電連接，且經由一無線網路與該無線路由單元通訊連接，接收來自該無線路由單元的該控制指令集，並根據該控制指令集控制所電連接的機械設備。

本發明之功效在於：藉由該伺服系統將該運動指令進行直譯並根據該中間碼進行邊緣運算，降低該至少一工作站系統的運算量，以致該等嵌入式系統代替可程式化邏輯控制器降低成本，且該等嵌入式系統經由該無線網路與該無線路由單元通訊連接，不需要針對有線網路進行佈線設計。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1、2、3，本發明機械設備雲端控制系統的一第一實施例，適用於控制多個機械設備1，該等機械設備1分別包括多個運動機構11，該第一實施例包含一伺服系統2及多個工作站系統3。該等機械設備1例如為電腦數值控制(Computer Numerical Control, CNC)工具機，該等運動機構11例如為終端效應器(end effector)，但不以此為限。值得注意的是，在其他實施方式中，工作站系統3數量可僅為一。

該伺服系統2包括一中央雲伺服單元21及多個經由一第一通訊網路100與該中央雲伺服單21元及分別與該等工作站系統3通訊連接的邊緣雲伺服單元22。該中央雲伺服單元21及該等邊緣雲伺服單元22例如為伺服器，但不以此為限。值得注意的是，在其他工作站系統3數量僅為一的實施方式中，邊緣雲伺服單元22的數量亦為一。

該中央雲伺服單元21具有一中央雲通訊模組211及一電連接該中央雲通訊模組211的中央雲直譯模組212。

該中央雲通訊模組211經由該第一通訊網路100與一使用端4及該等邊緣雲伺服單元22通訊連接，並接收一來自該使用端4且相關於一相關於該等機械設備1的該等運動機構11的運動軌跡的運動指令。該第一通訊網路100例如為網際網路(internet)，該使用端4例如為個人電腦，但不以此為限。

該中央雲直譯模組212將該運動指令進行直譯，以產生一中間碼(intermediate code)，並經由該中央雲通訊模組211傳送該中間碼至該等邊緣雲伺服單元22。

值得注意的是，在本實施例中，該運動指令例如為GM-code，該中央雲直譯模組212將GM-code格式的該運動指令轉換為該機械設備雲端控制系統規定之格式的該中間碼，該中央雲通訊模組211是以廣播(broadcast)技術傳送該中間碼至該等邊緣雲伺服單元22，且為了避免佔用該中央雲伺服單元21連線，該中央雲通訊模組211在傳送該中間碼之前與該等標邊緣雲伺服單元22建立連線，並在傳送該中間碼後關閉連線，但不以此為限。

該等邊緣雲伺服單元22根據該中間碼進行邊緣運算，計算出該運動軌跡，並根據該運動軌跡產生一包括多個相關於該等機械設備1的該等運動機構11之運動參數的控制指令集。

值得注意的是，在本實施例中，該等邊緣雲伺服單元22係透過逆運動學(Inverse kinematics)將該運動軌跡轉換為該控制指令集，該等運動參數為每一個時間點該等運動機構11移動的情況，例如該等運動機構11之各關節轉動度數，但不以此為限。

要特別注意的是，該中央雲通訊模組211亦會接收一來自該使用端4的功能指令，該功能指令例如為開啟、停止、初始化、或重置，並傳送該功能指令至該等邊緣雲伺服單元22，該等邊緣雲伺服單元22再傳送至該等工作站系統3。

每一工作站系統3包括一無線路由單元31，及多個嵌入式系統32。

該無線路由單元31經由該第一通訊網路100與該伺服系統2通訊連接，且接收來自該伺服系統2的該控制指令集並傳送至該等嵌入式系統32。該無線路由單元31例如為路由器(router)，但不以此為限。

每一嵌入式系統32包括一單板電腦(Single Board Computer, SBC)321及一經由一第二通訊網路101與該單板電腦321通訊連接的主站控制器322，該主站控制器322與該等機械設備1之其中一者電連接。該單板電腦321例如為樹莓派(Raspberry Pi)，該第二通訊網路101例如為乙太網控制自動化技術網路，但不以此為限。

該單板電腦321具有一單板通訊模組3211、一解碼模組3212，及一腳本產生模組3213。

該單板通訊模組3211經由一無線網路102與該無線路由單元31通訊連接，且經由該第二通訊網路101與該主站控制器322通訊連接，並接收來自該無線路由單元31的該控制指令集。

值得注意的是，在本實施例中，該單板通訊模組3211與該無線路由單元31是使用低延遲無線通訊技術進行通訊，且該單板通訊模組3211使用Python提供之底層網路介面socket進行實作，經由該無線路由單元31與所對應的邊緣雲伺服單元22建立連線，但不以此為限。

該解碼模組3212電連接該單板通訊模組3211，將該控制指令集進行解碼以獲得該等運動參數。

該腳本產生模組3213電連接該解碼模組3212及該單板通訊模組3211，根據該等運動參數產生一運動腳本，並經由該單板通訊模組3211傳送該運動腳本至該主站控制器322。

值得注意的是，在本實施例中，該腳本產生模組3213將該等運動參數轉換為該主站控制器322用的腳本，以驅動所對應的機械設備1，該單板通訊模組3211包括一非同步WebSocket Client與該主站控制器322進行連線，但不以此為限。

要特別注意的是，該腳本產生模組3213還會根據該功能指令產生一功能腳本，並經由該單板通訊模組3211傳送該功能腳本至該主站控制器322。

參閱圖4，本發明機械設備雲端控制系統的第二實施例是類似於第一實施例，其差異之處在於：

該第二實施例包含一伺服系統2’及該等工作站系統3，該伺服系統2’為一伺服器，包括一伺服通訊模組21’、一伺服直譯模組22’，及一伺服邊緣計算模組23’。

該伺服通訊模組21’經由該第一通訊網路100與該使用端4及該等工作站系統3通訊連接，並接收來自該使用端4的該運動指令或該功能指令，當接收到該功能指令時，該伺服通訊模組21’經由該第一通訊網路100傳送該功能指令至該等工作站系統3。

該伺服直譯模組22’電連接該伺服通訊模組21’，將該運動指令進行直譯，以產生該中間碼。

伺服邊緣計算模組23’電連接該伺服直譯模組22’，根據該中間碼進行邊緣運算，計算出該運動軌跡，並根據該運動軌跡產生該控制指令集，再經由該伺服通訊模組21’傳送該控制指令集至該等工作站系統3。

綜上所述，本發明機械設備雲端控制系統，藉由該伺服系統2，2’將該運動指令進行直譯並根據該中間碼進行邊緣運算，降低該等工作站系統3的運算量，以致該等嵌入式系統32代替可程式化邏輯控制器降低成本，且該等嵌入式系統32經由該無線網路102與該無線路由單元31通訊連接，不需要針對有線網路進行佈線設計，故確實能達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

1:機械設備 11:運動機構 100:第一通訊網路 101:第二通訊網路 102:無線網路 2:伺服系統 21:中央雲伺服單元 211:中央雲通訊模組 212:中央雲直譯模組 22:邊緣雲伺服單元 2’:伺服系統 21’:伺服通訊模組 22’:伺服直譯模組 23’:伺服邊緣計算模組 3:工作站系統 31:無線路由單元 32:嵌入式系統 321:單板電腦 3211:單板通訊模組 3212:解碼模組 3213:腳本產生模組 322:主站控制器 4:使用端

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一方塊圖，說明本發明機械設備雲端控制系統的一第一實施例；圖2是一方塊圖，說明該第一實施例的一中央雲伺服單元；圖3是一方塊圖，說明該第一實施例的一嵌入式系統；及圖4是一方塊圖，說明本發明機械設備雲端控制系統的一第二實施例。

1:機械設備

11:運動機構

100:第一通訊網路

102:無線網路

2:伺服系統

21:中央雲伺服單元

22:邊緣雲伺服單元

3:工作站系統

31:無線路由單元

32:嵌入式系統

4:使用端

Claims

一種機械設備雲端控制系統，適用於控制多個機械設備，每一機械設備包括一運動機構，包含：一伺服系統，經由一第一通訊網路與一使用端通訊連接，接收一來自該使用端且相關於一相關於該等機械設備的該等運動機構的運動軌跡的運動指令，並將該運動指令進行直譯，以產生一中間碼，並根據該中間碼進行邊緣運算，以產生一包括多個相關於該等機械設備的該等運動機構之運動參數的控制指令集；及至少一工作站系統，每一工作站系統包括一無線路由單元，經由該第一通訊網路與該伺服系統通訊連接，接收來自該伺服系統的該控制指令集，及多個嵌入式系統，分別與多個機械設備電連接，且經由一無線網路與該無線路由單元通訊連接，接收來自該無線路由單元的該控制指令集，並根據該控制指令集控制所電連接的機械設備，其中，該伺服系統包括一中央雲伺服單元及至少一經由該第一通訊網路與該中央雲伺服單元及分別與該至少一工作站系統通訊連接的邊緣雲伺服單元，該中央雲伺服單元與該使用端通訊連接，並接收來自該使用端的該運動指令，且將該運動指令進行直譯，以產生該中間碼，並將該中間碼傳送該至少一邊緣雲伺服單元，該至少一邊緣雲伺服單元根據該中間碼進行邊緣運算，以產生並傳送該控制指令集至該至少一工作站系統。
如請求項1所述的機械設備雲端控制系統，其中，每一嵌入式系統包括一單板電腦及一經由一第二通訊網路與該單板電腦通訊連接的主站控制器，該主站控制器與該等機械設備之其中一者電連接，該單板電腦具有：一單板通訊模組，經由該無線網路與該無線路由單元通訊連接，且經由該第二通訊網路與該主站控制器通訊連接，並接收來自該無線路由單元的該控制指令集；一解碼模組，電連接該單板通訊模組，將該控制指令集進行解碼以獲得該等運動參數；及一腳本產生模組，電連接該解碼模組及該單板通訊模組，根據該等運動參數產生一運動腳本，並經由該單板通訊模組傳送該運動腳本至該主站控制器。
如請求項2所述的機械設備雲端控制系統，其中，該伺服系統接收一來自該使用端的功能指令，並經由該第一通訊網路傳送該功能指令傳送至該至少一工作站系統，對於每一嵌入式系統，該嵌入式系統的該單板電腦之腳本產生模組根據該功能指令產生一功能腳本，該嵌入式系統的該單板電腦之該單板通訊模組傳送該功能腳本至該主站控制器。
如請求項2所述的機械設備雲端控制系統，其中，該第一通訊網路為網際網路，該第二通訊網路為乙太網控制自動化技術網路。
如請求項1所述的機械設備雲端控制系統，其中，該中央雲伺服單元具有：一中央雲通訊模組，經由該第一通訊網路與該使用端及該等邊緣雲伺服單元通訊連接，接收來自該使用端的該運動指令；一中央雲直譯模組，電連接該中央雲通訊模組，將該運動指令進行直譯，以產生該中間碼，並經由該中央雲通訊模組傳送該中間碼至該至少一邊緣雲伺服單元；其中，該中央雲通訊模組在傳送該中間碼之前與該至少一邊緣雲伺服單元建立連線，並在傳送該中間碼後關閉連線。
如請求項1所述的機械設備雲端控制系統，其中，該至少一邊緣雲伺服單元根據該中間碼進行邊緣運算，計算出該運動軌跡，並根據該運動軌跡產生該控制指令集。
如請求項1所述的機械設備雲端控制系統，其中，該伺服系統包括一伺服通訊模組，經由該第一通訊網路與該使用端及該至少一工作站系統通訊連接，並接收來自該使用端的該運動指令；一伺服直譯模組，電連接該伺服通訊模組，將該運動指令進行直譯，以產生該中間碼；及一伺服邊緣計算模組，電連接該伺服直譯模組及該伺服通訊模組，根據該中間碼進行邊緣運算，計算出一相關於該等機械設備的該等運動機構的運動軌跡，並根據該運動軌跡產生該控制指令集，再經由該伺服通訊模組傳送該控制指令集至該至少一工作站。