碼垛機(jī)器人健康狀態(tài)評(píng)估與診斷方法研究

周明，劉軍，，胡曉青

（1.北京物資學(xué)院信息學(xué)院；2.北京物資學(xué)院物流技術(shù)工程研究中心，北京 101149）

1 設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估與診斷的發(fā)展

由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高，物流設(shè)備越來越自動(dòng)化和智能化，其內(nèi)部構(gòu)造也變得越來越復(fù)雜，由于過大負(fù)載或長(zhǎng)時(shí)間工作，任何機(jī)器的性能都會(huì)不斷地發(fā)生退化，最終會(huì)出現(xiàn)功能失效等問題。物流設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估與診斷是指實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行動(dòng)作和狀態(tài)，根據(jù)物流設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和動(dòng)作判斷該設(shè)備的健康狀態(tài)，設(shè)備健康狀態(tài)的評(píng)估與診斷經(jīng)歷了3個(gè)階段。第一階段主要以基于故障的事后維修或定期維修為主，維修作為一種維護(hù)設(shè)備健康狀態(tài)的有效方式，在一定程度上可以保證設(shè)備的健康程度。起初，當(dāng)機(jī)器發(fā)生故障停止運(yùn)作之后再進(jìn)行診斷和維修，這樣既影響工作效率又增加了維修成本。隨后又出現(xiàn)了計(jì)劃?rùn)z修，是基于每隔一段時(shí)間對(duì)設(shè)備進(jìn)行一次檢查對(duì)其健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。第二階段主要是傳統(tǒng)的基于設(shè)備狀態(tài)的維修(conditionbasedmaintenance,CBM)，這種維修方式通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前設(shè)備的健康狀態(tài)，并采用簡(jiǎn)單的閾值法作為評(píng)判當(dāng)前設(shè)備健康狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)，以閾值為界限，低于閾值不進(jìn)行維修操作繼續(xù)監(jiān)控設(shè)備的健康狀態(tài)指標(biāo)，高于閾值，馬上進(jìn)行維修。這種只在出現(xiàn)設(shè)備異常狀態(tài)后才進(jìn)行的合理維修，可以較大程度地減少維修費(fèi)用和維修帶來的停機(jī)時(shí)間。這種維修方式有效避免了維修過度和時(shí)效性差等問題，隨著CBM理論以及設(shè)備預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)的發(fā)展，第三階段主要是基于狀態(tài)的故障預(yù)測(cè)維修，設(shè)備預(yù)測(cè)和健康管理技術(shù)最初是用于修復(fù)飛行器與原部件狀態(tài)的技術(shù)。設(shè)備預(yù)測(cè)和健康管理技術(shù)主要是利用傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和智能算法分析技術(shù)等，提取數(shù)據(jù)科學(xué)地分析出設(shè)備當(dāng)前的健康狀態(tài)，并在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)其走向，為接下來設(shè)備的健康管理措施提供依據(jù)。設(shè)備預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)一般用在機(jī)械設(shè)備的健康狀態(tài)評(píng)估中，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的健康狀態(tài)評(píng)估中，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的健康狀態(tài)評(píng)估中，電力設(shè)備的健康狀態(tài)評(píng)估中以及基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的車輛技術(shù)狀態(tài)評(píng)估中也都有應(yīng)用，主要采用的方法有模型法、層次分析法、模糊綜合評(píng)估法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)發(fā)等；設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估基于的參數(shù)主要包括傳感器所提取的特征參數(shù)、設(shè)備的規(guī)格參數(shù)、設(shè)備的歷史運(yùn)行參數(shù)等；設(shè)備健康狀態(tài)的評(píng)估主要是利用設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)參數(shù)和歷史運(yùn)行參數(shù)，選擇合適的評(píng)估方法對(duì)其健康狀態(tài)進(jìn)行分析和綜合，得到一個(gè)反應(yīng)設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)的結(jié)果。從而達(dá)到設(shè)備健康管理的目的。

2 碼垛機(jī)器人的運(yùn)行故障分析

碼垛機(jī)器人作為物流生產(chǎn)線的核心設(shè)備之一，負(fù)責(zé)物品的分揀、揀選和碼垛，在貨物的流通過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，碼垛機(jī)器人發(fā)生故障，將影響物流倉(cāng)儲(chǔ)生產(chǎn)線的正常作業(yè)。了解碼垛機(jī)器人運(yùn)作過程中有哪些部件易發(fā)生故障以及發(fā)生故障的類型，對(duì)碼垛機(jī)器人在健康狀態(tài)評(píng)估和使用過程中該如何維護(hù)該設(shè)備具有重要的意義。碼垛機(jī)器人一個(gè)搬運(yùn)工作周期的動(dòng)作，具體如下：手臂放下→手爪抓包→手臂上升→腰部旋轉(zhuǎn)→腕部旋轉(zhuǎn)→手臂放下→手爪放包→手臂抬起→腰部旋轉(zhuǎn)→腕部旋轉(zhuǎn)，箱體碼垛運(yùn)動(dòng)過程中存在的故障總結(jié)分析如下。

2.1 抓取包故障

抓取包故障是指碼垛機(jī)器人在手爪抓包和放包的作業(yè)過程中，由于箱體的傾斜或定位裝置故障導(dǎo)致定位不準(zhǔn)以至于機(jī)器人手爪抓取貨物的位置不準(zhǔn)從而造成故障，以及在碼垛的過程中當(dāng)箱體傾斜到一定程度時(shí)可能出現(xiàn)箱提掉落等情況導(dǎo)致不能繼續(xù)碼箱等。再者，由于碼垛機(jī)制故障，箱體碼錯(cuò)位置，繼續(xù)進(jìn)行碼垛作業(yè)，可能發(fā)生撞箱如果監(jiān)測(cè)到這幾種故障，應(yīng)該立即采取措施并及時(shí)糾正。

2.2 手臂升降故障

物流倉(cāng)儲(chǔ)下的碼垛機(jī)器人主要負(fù)責(zé)使生產(chǎn)線上的物品在脫離生產(chǎn)線后堆放到指定位置供下一個(gè)環(huán)節(jié)使用。碼垛機(jī)器人的起升降機(jī)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、聯(lián)軸器、減速器、鋼絲繩、卷筒和滑輪等部分組成。機(jī)械臂的升降主要通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)鋼絲繩作用聯(lián)軸器帶動(dòng)機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)箱體的抓放和箱體的移動(dòng)等工作。機(jī)械臂在升降過程中鋼絲繩斷裂及運(yùn)行不穩(wěn)定產(chǎn)生的晃動(dòng)現(xiàn)象不可避免，這對(duì)碼垛機(jī)器人機(jī)械臂抓取的箱體產(chǎn)生影響，甚至出現(xiàn)抓手松動(dòng)，箱體掉落等現(xiàn)象。

2.3 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)故障

碼垛機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由減速器輸出軸帶動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)直齒輪副進(jìn)而帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。主要有腰部旋轉(zhuǎn)和腕部旋轉(zhuǎn)兩個(gè)動(dòng)作。目的是把生產(chǎn)線上的貨物通過碼垛機(jī)器人抓取到碼垛的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行碼垛。齒輪長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作、摩擦，過熱可能導(dǎo)致齒輪故障。如果在正常的使用過程中碼垛機(jī)器人的機(jī)械臂停止旋轉(zhuǎn)且時(shí)間過長(zhǎng)，系統(tǒng)若監(jiān)視到這種情況后，判斷為設(shè)備已經(jīng)故障，發(fā)出故障信號(hào)，提示相關(guān)人員注意并檢查設(shè)備健康情況。

2.4 電機(jī)故障

電動(dòng)機(jī)的故障根據(jù)部件是否帶電可分為電氣故障和機(jī)械故障。電氣故障是指帶電體及其附屬機(jī)構(gòu)，包括定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組、電刷等故障；機(jī)械故障是指非帶電體的故障，包括軸承、轉(zhuǎn)軸、端蓋、機(jī)殼、風(fēng)扇等故障，造成電動(dòng)機(jī)不能正常運(yùn)作的原因主要包括：（1）電源電壓不符合額定電壓。電壓過低于額定電壓，導(dǎo)致電機(jī)啟動(dòng)后達(dá)不到額定轉(zhuǎn)速，以至于電機(jī)電流過大，繞組溫度升高，甚至冒煙燒毀；電壓過高超出額定電壓，導(dǎo)致電機(jī)超速工作，長(zhǎng)時(shí)間使電機(jī)過熱而損壞。（2）電機(jī)負(fù)載不符合規(guī)格。由于貨物本身太大，電機(jī)負(fù)載超過額定值，或者碼垛機(jī)器人其他部分出現(xiàn)卡頓，阻止電機(jī)動(dòng)作致使電機(jī)負(fù)載過大。如果電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間過載運(yùn)行，將會(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速過低、電流變大、繞組的溫度隨之升高，最終導(dǎo)致電機(jī)故障。因此必須經(jīng)常監(jiān)視電動(dòng)機(jī)的電流，防止過載。

3 碼垛機(jī)器人健康評(píng)估與診斷的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

王海靜的基于多傳感器信息融合的碼垛過程監(jiān)控與故障診斷的研究中，提出了將視覺和內(nèi)部傳感器信號(hào)感知信息融合監(jiān)控診斷的方法。分析了單獨(dú)使用視覺或內(nèi)部傳感器進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控的不足之處，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)碼垛機(jī)器人的碼垛過程、產(chǎn)品的安全性等要求，將多傳感器信息融合技術(shù)應(yīng)用到碼垛系統(tǒng)中，并以信息融合技術(shù)理論知識(shí)為基礎(chǔ)，總結(jié)得到碼垛系統(tǒng)的多傳感器信息融合的基本原理圖、所采用的結(jié)構(gòu)形式以及信息融合故障檢測(cè)方法。針對(duì)碼垛機(jī)器人多傳感器系統(tǒng)的特性和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境特點(diǎn)，總結(jié)出系統(tǒng)常見的故障類型，并采用模糊BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息融合方法實(shí)現(xiàn)對(duì)碼垛系統(tǒng)的故障監(jiān)控和診斷。

劉久富、陳珂等人基于含不可觀變遷Petri網(wǎng)的碼垛機(jī)器人零件加工系統(tǒng)故障檢測(cè)方法，對(duì)Petri網(wǎng)在機(jī)器系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，建立了Petri網(wǎng)系統(tǒng)模型，應(yīng)用基本可達(dá)樹故障檢測(cè)算法進(jìn)行檢測(cè)。

王瑞芳、劉林等在機(jī)器人系統(tǒng)的故障預(yù)測(cè)技術(shù)研究提到將故障預(yù)測(cè)與健康管理(PHM)技術(shù)應(yīng)用到機(jī)器人系統(tǒng)的維護(hù)中。論述了PHM關(guān)鍵技術(shù)——故障預(yù)測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)和研究?jī)?nèi)容。對(duì)故障預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)行分類和分析，總結(jié)出各種預(yù)測(cè)方法的特點(diǎn)。最后提出了基于統(tǒng)計(jì)過程控制(SPC)進(jìn)行故障預(yù)測(cè)的方法。

上述學(xué)者將健康狀態(tài)評(píng)估與診斷技術(shù)應(yīng)用于碼垛機(jī)器人運(yùn)行監(jiān)測(cè)之中，取得了一定的成果，為以后的學(xué)者研究該設(shè)備的健康狀態(tài)評(píng)估與診斷指導(dǎo)了一個(gè)新的發(fā)展方向。然而相對(duì)于健康狀態(tài)的評(píng)估與診斷技術(shù)在航空飛行器領(lǐng)域的應(yīng)用，其在碼垛機(jī)器人上的運(yùn)用還處于探索階段，真正投入到物流上碼垛機(jī)器人健康狀態(tài)診斷的實(shí)例并不多，該技術(shù)在碼垛機(jī)器人上的運(yùn)用仍然需要更多的研究和創(chuàng)新。

4 碼垛機(jī)器人健康管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

用于碼垛機(jī)器人健康狀態(tài)評(píng)估的健康管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該包括設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、健康評(píng)估系統(tǒng)、故障時(shí)間預(yù)測(cè)系統(tǒng)以及維修決策系統(tǒng)組成。

（1）設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是對(duì)當(dāng)前設(shè)備的狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，由多傳感器組成傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，其位置的安放應(yīng)該有效覆蓋整個(gè)設(shè)備涉及到的應(yīng)檢測(cè)的零件和局部部位，并且將所測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较到y(tǒng)終端，由于用于物流生產(chǎn)線的設(shè)備體型較大，且1臺(tái)終端所能外擴(kuò)的數(shù)據(jù)采集模塊有限，故采用1臺(tái)檢測(cè)機(jī)對(duì)應(yīng)管理1個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)。

（2）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由兩部分組成，首先在傳感器采集設(shè)備的特征信號(hào)（振動(dòng)信號(hào)，溫濕度信號(hào)，視覺圖像信號(hào)）時(shí)，進(jìn)行初步的數(shù)據(jù)處理，在提取特征信號(hào)時(shí)，利用成熟的技術(shù)手段，算法等降低噪聲或者其他干擾信號(hào)的影響。然后對(duì)終端接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先是驗(yàn)證數(shù)據(jù)是否正確。通過于本地服務(wù)器數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，若服務(wù)器中存在該設(shè)備信息，則接入反應(yīng)該碼垛機(jī)器人狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

（3）健康評(píng)估系統(tǒng)用于判斷當(dāng)前的健康狀況，一般設(shè)置為定期或不定期地對(duì)設(shè)備狀態(tài)做出評(píng)估，以規(guī)則庫(kù)為核心，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理過的數(shù)據(jù)，導(dǎo)入特定的應(yīng)用程序，由程序中的規(guī)則庫(kù)對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。如果數(shù)據(jù)正常，按常規(guī)規(guī)律波動(dòng)，則說明設(shè)備良好，若數(shù)據(jù)波動(dòng)較理論數(shù)據(jù)波動(dòng)較大或完全不一樣，做出故障判斷信息，根據(jù)設(shè)備性能衰退趨勢(shì)的分析和決定設(shè)備隱形故障的關(guān)鍵因素（時(shí)間，工作強(qiáng)度）制定出設(shè)備健康狀態(tài)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，以便之后在此標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行維修保養(yǎng)等操作。

（4）維修決策系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，存儲(chǔ)著大量的設(shè)備維修解決方案，這些方案的設(shè)定來源基于不同的歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)致的健康評(píng)估分級(jí)指標(biāo)，對(duì)于每次健康評(píng)估分級(jí)指標(biāo)，若系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中有匹配的信息，系統(tǒng)直接調(diào)用其解決方案進(jìn)行設(shè)備的維修決策。若系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中沒有與之匹配的信息，則報(bào)警，由設(shè)備管理員根據(jù)健康評(píng)估分級(jí)指標(biāo)提出設(shè)備的維修方案進(jìn)行維修，觀察后效，如果效果明顯，則把維修方案添加到數(shù)據(jù)庫(kù)中，供以后使用。

碼垛機(jī)器人是機(jī)械和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，對(duì)于碼垛機(jī)器人的研究重點(diǎn)更多的是在其路徑的優(yōu)化和運(yùn)動(dòng)學(xué)等方面，就其設(shè)備監(jiān)測(cè)方面研究較少。本文主要采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特征信號(hào)的提取，然后利用健康管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備的健康狀態(tài)的評(píng)估和維修決策。隨著傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、人工智能技術(shù)、并行計(jì)算軟件和硬件技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，尤其是人工智能技術(shù)的進(jìn)步，利用多傳感器融合技術(shù)來提取碼垛機(jī)器人的狀態(tài)信息更準(zhǔn)確，多傳感器數(shù)據(jù)融合將成為未來復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)智能檢測(cè)與數(shù)據(jù)處理的重要技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)大。

多傳感器融合技術(shù)有以下兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，①可以克服利用一種信息判斷機(jī)器故障和不可靠現(xiàn)象。②避免不同的故障可能以同一征兆形式表現(xiàn)出來誤判斷操作。對(duì)同一部位多中特征信息綜合得到的結(jié)果更能反映當(dāng)前設(shè)備的真實(shí)情況。只有從多方面獲得關(guān)于同一對(duì)象的多維信息，并加以綜合利用，才能對(duì)設(shè)備進(jìn)行更可靠更準(zhǔn)確地診斷。多傳感器數(shù)據(jù)融合不是一門單一的技術(shù)，而是一門跨學(xué)科的綜合理論和方法，并且是一個(gè)不太成熟的新研究領(lǐng)域，尚處在不斷變化和發(fā)展過程中

5 結(jié)語(yǔ)

本文首先介紹了碼垛機(jī)器人運(yùn)行過程中健康狀態(tài)評(píng)估與診斷技術(shù)的發(fā)展歷程，從最初的人工維修、計(jì)劃?rùn)z修發(fā)展到基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的健康管理系統(tǒng)。分析了碼垛機(jī)器人使用期間可能出現(xiàn)故障的部位以及常見故障產(chǎn)生的原因，在國(guó)內(nèi)外設(shè)備健康評(píng)估與診斷的研究基礎(chǔ)之上介紹了碼垛機(jī)器人的監(jiān)測(cè)與診斷研究現(xiàn)狀。設(shè)備健康狀態(tài)的評(píng)估與診斷理論研究及應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟，最早廣泛用于航天飛行器的健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)上，碼垛機(jī)器人很多研究是關(guān)于其軌跡和路徑的優(yōu)化以及運(yùn)動(dòng)學(xué)等方面，而對(duì)碼垛機(jī)器人的健康狀態(tài)評(píng)估與診斷的應(yīng)用起步比較晚，理論及應(yīng)用還不夠成熟，仍然有很大的發(fā)展空間。