多機器人系統(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)明涉及自動控制領(lǐng)域，具體地，涉及一種多機器人系統(tǒng)中的高可靠性控制方 法及系統(tǒng)，應用于多機器人系統(tǒng)中，通過對多機器人系統(tǒng)的故障預測、拓撲排布以及排錯控 制，實現(xiàn)對多機器人系統(tǒng)的高可靠性控制。
【背景技術(shù)】
[0002] 從上世紀70年代開始，工業(yè)機器人就開始成為工業(yè)領(lǐng)域中的一項重要技術(shù)。在世 界范圍內(nèi)，工業(yè)機器人應用掀起了一個高潮。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)機器人就有了客觀的發(fā)展需求。同時，工業(yè)機器人的應用領(lǐng)域也從汽車行業(yè)逐漸 擴張到電子制造、食品藥品和塑料行業(yè)。為了完成復雜工序，工業(yè)機器人在很多情況下都是 配合工作的。因此，工業(yè)機器人常常都是以多機器人系統(tǒng)的形式工作的。
[0003] 在工業(yè)生產(chǎn)中的多個機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)。在整個生產(chǎn)過程中，如果某一個機器人出現(xiàn)故障，則整個生產(chǎn)線路陷入癱瘓。在高速 的制造工業(yè)中，生產(chǎn)線的故障無疑會造成生產(chǎn)效率的降低和經(jīng)濟利益的損失。
[0004] 目前，工業(yè)生產(chǎn)中的多機器人系統(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)上屬于容錯控制范疇，不過嚴格意義上的容錯控制器是比價難 以實現(xiàn)的，特別是在工業(yè)機器人系統(tǒng)中。其原因有兩點，首先工業(yè)機器人一般都是標準化 產(chǎn)品的產(chǎn)品，單個機器人的容錯控制無從實施；其次，多機器人系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)是復雜多變 的，即使設(shè)計出一個高質(zhì)量的容錯控制器，也很難滿足魯棒性的要求。一個更為合理的辦法 是使用折中成本和復雜度的方式。
[0005] 純粹的容錯控制方法應該有更可靠的理論性能，通過對故障系統(tǒng)的辨識，調(diào)整控 制率可以非常經(jīng)濟地實現(xiàn)高可靠性控制。這種容錯控制方法以系統(tǒng)部件為單位進行識辨和 重建模，彈性可變的控制率其實間接地提高了系統(tǒng)部件的壽命和可靠性。在很多工業(yè)機器 人應用場景中，多機器人系統(tǒng)的整體可靠性往往比部件的使用壽命更重要，因為機器人部 件的替換成本是低于系統(tǒng)的故障成本的。所以，以機器人為單位進行高可靠性控制是一種 很好的解決方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種以機器人為單位進行控制的多 機器人系統(tǒng)中的高可靠性控制方法及系統(tǒng)。
[0007] 為實現(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，提供一種多機器人系統(tǒng)中的高可靠性控制方法，所述方法 包括：
[0009] 機器人拓撲設(shè)計：機器人拓撲包括由工作機器人構(gòu)成的工作組，以及由備用機器 人構(gòu)成的備用工作組，備用機器人和工作機器人之間的位置可替換；
[0010] 故障預測設(shè)計：結(jié)合系統(tǒng)中機器人的健康狀況，使用馬爾科夫模型預測法對工作 機器人進行故障預測；
[0011] 故障恢復設(shè)計：當某工作機器人出現(xiàn)故障時，控制備用機器人替代該工作機器人。
[0012] 優(yōu)選地，所述機器人拓撲設(shè)計，其中工作組是一組硬件結(jié)構(gòu)相同、物理位置接近的 多個機器人（工作機器人或備用機器人），多個機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)的各機器人是物理可替換的，而軟件程序可以根據(jù)需求變動。同時備用機 器人和工作機器人之間的工作位置可替換，備用機器人在替換到故障工位時，可以完全自 動的實現(xiàn)，而不需要其他的干預。
[0013] 優(yōu)選地，所述故障預測設(shè)計，其中機器人的健康狀況采用故障診斷（系統(tǒng)辨識）實 現(xiàn)，即對系統(tǒng)中的機器人的健康狀況進行評估和分類，輸出信息是機器人的健康評級，并定 義機器人的健康狀況。健康狀況可以根據(jù)實際需要進行設(shè)定。
[0014] 更優(yōu)選地，健康評級是五個離散的等級，機器人的健康狀況定義為以下五個狀態(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，所述故障預測設(shè)計，其中使用馬爾科夫模型預測法對工作機器人進行故 障預測，具體如下：
[0016]S1，預測對象狀態(tài)劃分：對應于機器人的健康狀況，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)"這五個狀態(tài)作為馬爾科夫模型的對象狀態(tài)；
[0017] S2,計算初始概率p1:
[0018] 對于通過性能檢測的新機器人，認為其處于"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行預測。
[0022] 更優(yōu)選地，S3中，使用馬爾科夫模型中的EM(期望最大化）算法進行轉(zhuǎn)移概率矩 陣的計算。
[0023] 更優(yōu)選地，S4中，在實現(xiàn)狀態(tài)預測時，把機器人歷史"健康狀況"數(shù)據(jù)和五個可能狀 態(tài)連接起來，結(jié)果得到五個狀態(tài)序列，將狀態(tài)序列帶入馬爾科夫模型中分別計算出似然概 率并比較幾個概率的大小，然后選擇概率最大的序列對應的末尾狀態(tài)即預測狀態(tài)，這個末 尾狀態(tài)即是預測結(jié)果。
[0024] 優(yōu)選地，所述故障恢復設(shè)計，其中工作機器人、備用機器人均設(shè)有自身的控制器， 當正常工作時工位上的工作機器人與主控制器進行通訊完成生產(chǎn)操作，當某工位上的工作 機器人出現(xiàn)故障時，備用機器人重載控制器替代故障機器人和主控制器通訊，完成對工件 的加工任務。
[0025] 更優(yōu)選地，所述主控制器和各工位上的機器人各自都配備有發(fā)送器及接收器，備 用機器人配備有接收器；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； 備用機器人接收器通道初始值為第二數(shù)值；
[0026] 無故障時多機器人間通訊：當工位上的工作機器人能正常工作時，通訊集中在主 控制器和各工位上的工作機器人之間，主控制器的發(fā)送器和所有工作機器人的接收器都通 過相同的第一數(shù)值通道建立通訊；當主控制器的傳感器檢測到傳送帶上有工件到來時，主 控制器通過發(fā)送器發(fā)送消息，告知工作機器人準備開始各自的任務；
[0027] 某工作機器人發(fā)生故障時通訊：當工位上的某一臺工作機器人發(fā)生故障時，此時 該工作機器人首先通過發(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；備用機器人收到消息后往故障機器人工位移動，并 且完成初始位姿的調(diào)整；主控制器收到消息后，暫停一段時間使備用機器人能到達故障工 位，并且完成初始位姿的調(diào)整；然后，備用機器人將接收器通道值設(shè)置為第一數(shù)值，當下一 次工件經(jīng)過時，主控制器通過第一數(shù)值通道發(fā)送的消息備用機器人就能收到；最后將故障 機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器人之間的通 訊；
[0028] 備用機器人工作時多機器人間通訊：完成調(diào)整之后各機器人發(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；替換故障機器人的備用機器人接收器通道值為第一數(shù)值；此時 主控制器的發(fā)送器和備用機器人、其他工作機器人的接收器都通過相同的第一數(shù)值通道建 立通訊，而故障機器人和其余機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] 機器人拓撲