多機(jī)器人系統(tǒng)中的高可靠性控制方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及自動(dòng)控制領(lǐng)域，具體地，涉及一種多機(jī)器人系統(tǒng)中的高可靠性控制方 法及系統(tǒng)，應(yīng)用于多機(jī)器人系統(tǒng)中，通過對(duì)多機(jī)器人系統(tǒng)的故障預(yù)測(cè)、拓?fù)渑挪家约芭佩e(cuò)控 制，實(shí)現(xiàn)對(duì)多機(jī)器人系統(tǒng)的高可靠性控制。
【背景技術(shù)】
[0002] 從上世紀(jì)70年代開始，工業(yè)機(jī)器人就開始成為工業(yè)領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要技術(shù)。在世 界范圍內(nèi)，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用掀起了一個(gè)高潮。隨著人力成本的不斷提高，企業(yè)用工成本不斷 上漲，工業(yè)機(jī)器人就有了客觀的發(fā)展需求。同時(shí)，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也從汽車行業(yè)逐漸 擴(kuò)張到電子制造、食品藥品和塑料行業(yè)。為了完成復(fù)雜工序，工業(yè)機(jī)器人在很多情況下都是 配合工作的。因此，工業(yè)機(jī)器人常常都是以多機(jī)器人系統(tǒng)的形式工作的。
[0003] 在工業(yè)生產(chǎn)中的多個(gè)機(jī)器人通常都是在流水線上串聯(lián)工作，相互合作以完成生產(chǎn) 作業(yè)。在整個(gè)生產(chǎn)過程中，如果某一個(gè)機(jī)器人出現(xiàn)故障，則整個(gè)生產(chǎn)線路陷入癱瘓。在高速 的制造工業(yè)中，生產(chǎn)線的故障無疑會(huì)造成生產(chǎn)效率的降低和經(jīng)濟(jì)利益的損失。
[0004] 目前，工業(yè)生產(chǎn)中的多機(jī)器人系統(tǒng)并沒有出現(xiàn)比較優(yōu)良的提高可靠性的控制方 法。高可靠性控制技術(shù)本質(zhì)上屬于容錯(cuò)控制范疇，不過嚴(yán)格意義上的容錯(cuò)控制器是比價(jià)難 以實(shí)現(xiàn)的，特別是在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中。其原因有兩點(diǎn)，首先工業(yè)機(jī)器人一般都是標(biāo)準(zhǔn)化 產(chǎn)品的產(chǎn)品，單個(gè)機(jī)器人的容錯(cuò)控制無從實(shí)施；其次，多機(jī)器人系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)是復(fù)雜多變 的，即使設(shè)計(jì)出一個(gè)高質(zhì)量的容錯(cuò)控制器，也很難滿足魯棒性的要求。一個(gè)更為合理的辦法 是使用折中成本和復(fù)雜度的方式。
[0005] 純粹的容錯(cuò)控制方法應(yīng)該有更可靠的理論性能，通過對(duì)故障系統(tǒng)的辨識(shí)，調(diào)整控 制率可以非常經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)高可靠性控制。這種容錯(cuò)控制方法以系統(tǒng)部件為單位進(jìn)行識(shí)辨和 重建模，彈性可變的控制率其實(shí)間接地提高了系統(tǒng)部件的壽命和可靠性。在很多工業(yè)機(jī)器 人應(yīng)用場景中，多機(jī)器人系統(tǒng)的整體可靠性往往比部件的使用壽命更重要，因?yàn)闄C(jī)器人部 件的替換成本是低于系統(tǒng)的故障成本的。所以，以機(jī)器人為單位進(jìn)行高可靠性控制是一種 很好的解決方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種以機(jī)器人為單位進(jìn)行控制的多 機(jī)器人系統(tǒng)中的高可靠性控制方法及系統(tǒng)。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0008] 根據(jù)本發(fā)明第一方面，提供一種多機(jī)器人系統(tǒng)中的高可靠性控制方法，所述方法 包括：
[0009] 機(jī)器人拓?fù)湓O(shè)計(jì)：機(jī)器人拓?fù)浒ㄓ晒ぷ鳈C(jī)器人構(gòu)成的工作組，以及由備用機(jī)器 人構(gòu)成的備用工作組，備用機(jī)器人和工作機(jī)器人之間的位置可替換；
[0010] 故障預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)：結(jié)合系統(tǒng)中機(jī)器人的健康狀況，使用馬爾科夫模型預(yù)測(cè)法對(duì)工作 機(jī)器人進(jìn)行故障預(yù)測(cè)；
[0011] 故障恢復(fù)設(shè)計(jì)：當(dāng)某工作機(jī)器人出現(xiàn)故障時(shí)，控制備用機(jī)器人替代該工作機(jī)器人。
[0012] 優(yōu)選地，所述機(jī)器人拓?fù)湓O(shè)計(jì)，其中工作組是一組硬件結(jié)構(gòu)相同、物理位置接近的 多個(gè)機(jī)器人（工作機(jī)器人或備用機(jī)器人），多個(gè)機(jī)器人的控制程序可以是相同的，也可以是 不同的，工作組內(nèi)的各機(jī)器人是物理可替換的，而軟件程序可以根據(jù)需求變動(dòng)。同時(shí)備用機(jī) 器人和工作機(jī)器人之間的工作位置可替換，備用機(jī)器人在替換到故障工位時(shí)，可以完全自 動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，而不需要其他的干預(yù)。
[0013] 優(yōu)選地，所述故障預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)，其中機(jī)器人的健康狀況采用故障診斷（系統(tǒng)辨識(shí)）實(shí) 現(xiàn)，即對(duì)系統(tǒng)中的機(jī)器人的健康狀況進(jìn)行評(píng)估和分類，輸出信息是機(jī)器人的健康評(píng)級(jí)，并定 義機(jī)器人的健康狀況。健康狀況可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)定。
[0014] 更優(yōu)選地，健康評(píng)級(jí)是五個(gè)離散的等級(jí)，機(jī)器人的健康狀況定義為以下五個(gè)狀態(tài)： 正常態(tài)、輕度退化態(tài)、中度退化態(tài)、高度退化態(tài)、故障態(tài)。
[0015] 優(yōu)選地，所述故障預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)，其中使用馬爾科夫模型預(yù)測(cè)法對(duì)工作機(jī)器人進(jìn)行故 障預(yù)測(cè)，具體如下：
[0016]S1，預(yù)測(cè)對(duì)象狀態(tài)劃分：對(duì)應(yīng)于機(jī)器人的健康狀況，將"正常態(tài)"、"輕度退化態(tài)"、 "中度退化態(tài)"、"高度退化態(tài)"、"故障態(tài)"這五個(gè)狀態(tài)作為馬爾科夫模型的對(duì)象狀態(tài)；
[0017] S2,計(jì)算初始概率p1:
[0018] 對(duì)于通過性能檢測(cè)的新機(jī)器人，認(rèn)為其處于"正常態(tài)"，"正常態(tài)"的初始概率約等 于1，初始概率向量就是{1，〇, 〇, 〇, 〇};
[0019]S3,計(jì)算各狀態(tài)的下轉(zhuǎn)移概率Plj
[0020] 用狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)移的頻率近似地描述其概率，得到狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣；
[0021 ] S4,根據(jù)轉(zhuǎn)移概率矩陣和初始概率進(jìn)行預(yù)測(cè)。
[0022] 更優(yōu)選地，S3中，使用馬爾科夫模型中的EM(期望最大化）算法進(jìn)行轉(zhuǎn)移概率矩 陣的計(jì)算。
[0023] 更優(yōu)選地，S4中，在實(shí)現(xiàn)狀態(tài)預(yù)測(cè)時(shí)，把機(jī)器人歷史"健康狀況"數(shù)據(jù)和五個(gè)可能狀 態(tài)連接起來，結(jié)果得到五個(gè)狀態(tài)序列，將狀態(tài)序列帶入馬爾科夫模型中分別計(jì)算出似然概 率并比較幾個(gè)概率的大小，然后選擇概率最大的序列對(duì)應(yīng)的末尾狀態(tài)即預(yù)測(cè)狀態(tài)，這個(gè)末 尾狀態(tài)即是預(yù)測(cè)結(jié)果。
[0024] 優(yōu)選地，所述故障恢復(fù)設(shè)計(jì)，其中工作機(jī)器人、備用機(jī)器人均設(shè)有自身的控制器， 當(dāng)正常工作時(shí)工位上的工作機(jī)器人與主控制器進(jìn)行通訊完成生產(chǎn)操作，當(dāng)某工位上的工作 機(jī)器人出現(xiàn)故障時(shí)，備用機(jī)器人重載控制器替代故障機(jī)器人和主控制器通訊，完成對(duì)工件 的加工任務(wù)。
[0025] 更優(yōu)選地，所述主控制器和各工位上的機(jī)器人各自都配備有發(fā)送器及接收器，備 用機(jī)器人配備有接收器；主控制器發(fā)送器通道初始值為第一數(shù)值，接收器通道初始值為第 二數(shù)值；各工位上的機(jī)器人發(fā)送器通道初始值為第二數(shù)值，接收器通道初始值為第一數(shù)值； 備用機(jī)器人接收器通道初始值為第二數(shù)值；
[0026] 無故障時(shí)多機(jī)器人間通訊：當(dāng)工位上的工作機(jī)器人能正常工作時(shí)，通訊集中在主 控制器和各工位上的工作機(jī)器人之間，主控制器的發(fā)送器和所有工作機(jī)器人的接收器都通 過相同的第一數(shù)值通道建立通訊；當(dāng)主控制器的傳感器檢測(cè)到傳送帶上有工件到來時(shí)，主 控制器通過發(fā)送器發(fā)送消息，告知工作機(jī)器人準(zhǔn)備開始各自的任務(wù)；
[0027] 某工作機(jī)器人發(fā)生故障時(shí)通訊：當(dāng)工位上的某一臺(tái)工作機(jī)器人發(fā)生故障時(shí)，此時(shí) 該工作機(jī)器人首先通過發(fā)送器的第二數(shù)值通道向主控制器及備用機(jī)器人的接收器第二數(shù) 值通道發(fā)送消息，通知其已經(jīng)發(fā)生故障；備用機(jī)器人收到消息后往故障機(jī)器人工位移動(dòng)，并 且完成初始位姿的調(diào)整；主控制器收到消息后，暫停一段時(shí)間使備用機(jī)器人能到達(dá)故障工 位，并且完成初始位姿的調(diào)整；然后，備用機(jī)器人將接收器通道值設(shè)置為第一數(shù)值，當(dāng)下一 次工件經(jīng)過時(shí)，主控制器通過第一數(shù)值通道發(fā)送的消息備用機(jī)器人就能收到；最后將故障 機(jī)器人的接收器通道設(shè)置為系統(tǒng)不使用的空閑通道，斷開主控制器與故障機(jī)器人之間的通 訊；
[0028] 備用機(jī)器人工作時(shí)多機(jī)器人間通訊：完成調(diào)整之后各機(jī)器人發(fā)送器和接收器通道 如下：主控制器發(fā)送器通道值為第一數(shù)值，接收器通道值為第二數(shù)值；故障機(jī)器人的發(fā)送 器通道值為第二數(shù)值，接收器通道值為設(shè)定值；其他工作機(jī)器人發(fā)送器通道值為第二數(shù)值， 接收器通道值為第一數(shù)值；替換故障機(jī)器人的備用機(jī)器人接收器通道值為第一數(shù)值；此時(shí) 主控制器的發(fā)送器和備用機(jī)器人、其他工作機(jī)器人的接收器都通過相同的第一數(shù)值通道建 立通訊，而故障機(jī)器人和其余機(jī)器人則斷開通訊連接。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明第二方面，提供一種多機(jī)器人系統(tǒng)中的高可靠性控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng) 包括：
[0030] 機(jī)器人拓?fù)?