一种工业机器人的高频数据可靠采集方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术实现了一种工业机器人的高频数据可靠采集方法与装置，通过在单一设备上采用高频可靠的采集架构，通过创建设备实体、建立采集任务、执行采集任务三部分的采集流程，抽象同类设备的采集动作，形成统一数据接口返回采集的设备相关参数，实现采集的定义和实现分离。并将多个设备构成分布式集群，采用分布式集群的方式处理请求，被采集的设备部署缓存组件Kafka，通过Leader选举机制、根据各个采集设备的负载情况的任务分配、心跳机制、故障处理机制，实现当一台设备发生故障后，采集任务转移，利用多台设备的协作提高采集的可靠性，以及利用缓存组件Kafka的数据传输机制，使采集到的数据一次的传输到云端的技术效果。

【技术实现步骤摘要】
一种工业机器人的高频数据可靠采集方法与装置
本专利技术涉及工业互联网的边缘计算
，尤其涉及一种工业机器人的高频数据可靠采集方法与装置。
技术介绍
在工业机器人领域，新一代信息技术的主要应用方向有预测性维护和生产工艺优化等，这些应用通过分析生产环境中机器人的运行数据和传感器的工业数据来构建出分析预测模型，利用模型来为机器人的维护和工艺优化提供服务。无论是对机器人进行预测性维护还是对生产工艺进行优化，都需要保证分析的工业数据是完整的，连续的，不会出现大量丢失的，这就要求系统的工业数据采集足够稳定可靠，主要体现在三个方向：(1)数据采集尽可能完整，采集的数据不会在传输汇集过程中丢失；(2)采集任务不停止，即使被采集的设备会发生故障，系统也能具备恢复的能力；(3)系统需要具备灵活适配的可扩展能力，当出现一种新的被采集设备(被采集数据的设备，包括但不限于工业机器人、传感器、PLC等工业设备)类型(比如新的机器人类型时候)时，可以不用改动系统代码就可以实现。现有的方案主要围绕以下几个方向来实现上述目标：(1)多协议的数据采集，现有方案主要是多协议采集网关，即通过一个可以识别多种协议的网关，通过配置采集参数来实现不同设备数据的采集。在专利文献CN201821665651.2中作者提出一种工业数据采集网关，解决不同设备系统之间的互联与集成，实现老旧设备无障碍升级；在专利文献CN201521128514.1中作者提出一种工业数据采集系统在工业领域中能够通过工业数据采集网关，将工厂企业的不同数据来源和格式的数据都方便地收集到工业云端服务器，以便于对它们进行分析和挖掘，提高设备的使用率、优化生产；在专利文献CN201620687232.3中作者设计了一个网关盒子，可以采集数据，处理数据，可以通过配置实现多协议适配，内置一个数据处理器和展示器，可以实现一些数据处理和展示；(2)提高采集数据在传输过程中的可靠性，在专利文献CN201811618641.8中，作者设计了一种网关盒子，部署在网络条件和部署条件困难的环境下，利用NB-IoT的低功耗实现在这种环境下的数据采集，同时利用双路由提高传输的可靠性。但现有技术方案存在如下问题：用户配置繁琐复杂：设备的生产厂商和使用厂商往往不同，不同的设备生产厂商使用的通信协议和细节往往不同，在很多场景中，采集的数据内容往往是固定的，只是通信的协议和传输的指令格式不同，若采用现有方案则存在一个配置困难的问题，使用者需要了解生产手册上配置参数等信息。例如本申请所面对的场景中，采集的主体是机器人，不同的机器人系统采集的数据内容是相同的(轴动态数据、本体动态数据)，但是不同厂家产品的通信格式不同，用户需要进行大量的配置，包括协议参数、采集参数和命令参数，其中大量的配置主要集中在命令参数，例如进行一次采集所需要配置的命令参数有六种(轴速度、轴力矩、轴角度、机器人笛卡尔位置、机器人空间速度参数、机器人状态)，如果全部由使用者来进行配置，使用难度较大，且容易配置错误。采集单机不可靠：现有网关单机执行，一旦采集过程中出现故障导致网关宕机，数据采集任务就会终止，无法实现完整的数据采集，其可能导致的结果有两个：(1)采集的数据不完整使得系统最终生成的预测模型不准确；(2)停止采集之后不能感知网关采集的机器人的实时状态，无法给这几个机器人提供预测性维护服务。采集传输不可靠：采集系统最终任务是将采集到的工业数据上传给厂家的云端，在现有方案中网关采取的手段是直接将采集到的数据上传，在上传过程中发生失败不做处理。在实际的网络环境中，网络可能会发生波动甚至直接断开，此时网关无法上传数据到云端，在网络恢复后，这部分数据就会丢失，其直接后果就是后续生成的应用模型不准确。即使采用双路由传输的方式来应对网络波动导致数据传输不可靠的问题，现有技术仅静态指定两条传输路由，当其中一条传输失败时，选择备用路由来传输，但当指定的两条路由同时出现阻塞，系统将仍然无法将数据上传。
技术实现思路
为了解决目前高频数据采集方法的一些弊端，我们提出一种工业机器人的高频数据可靠采集方法与装置。其中包括：一种工业机器人的数据可靠采集方法，采用可靠的采集架构，架构在接入外部设备后，通过创建设备实体、建立采集任务、执行采集任务三部分的采集流程，抽象同类设备的采集动作，形成统一数据接口返回采集的设备相关参数，具体地：所述创建设备实体部分，对外部设定需要进行采集作业的工业设备进行系统登记，登记成功后系统检测是否为拥有工业设备实体记录，确认拥有所述工业设备实体记录后对其进行采集；所述建立采集任务部分首先进行选择驱动，所述驱动为采集接口的具体实现，由设备厂商提供，用户在建立采集过程中不需配置命令参数，而是厂商的驱动文件，进而进行驱动配置，完成驱动的协议参数设置，最后进行采集配置，配置采集活动相关的参数；所述执行采集任务部分包括采集初始化和开始采集两个步骤，所述采集初始化步骤为通过8个逻辑步骤，对采集设备和被采集设备之间搭建通信环境，所述开始采集步骤为通过3个逻辑步骤，按照采集配置的频率对机器人指定内容进行采集，并将采集的数据缓存。所述协议参数包括IP地址，所述采集活动相关的参数为采集频率或采集环境情况描述，所述通信环境为TCP连接。所述执行采集任务部分的两个步骤具体为：S1：判断要采集的设备是否已经存在，如果存在进入S3，否则进入S2；S2：在本系统中登记该设备；S3：选择本次采集所需驱动；S4：配置驱动所需参数；S5：配置采集描述参数；S6：采集设备根据配置执行采集初始化操作；S7：判断初始化是否成功如果不成功进入S11，成功进入S8；S8：开始采集数据；S9：将采集数据上传；S10：判断采集过程是否存在故障，若存在进入S11，不存在返回S8；S11：将故障信息输出，并结束本次采集任务，释放相应资源；其中所述采集初始化步骤为逻辑步骤S1到S8，所述开始采集步骤为逻辑步骤S9到S11。同时，针对多机协作的分布式采集场景，我们提出一种多机协作的分布式采集架构，在针对单机数据采集采用上述技术方案的基础上，在单一设备的采集资源有限时采用分布式集群的方式去处理请求，利用多节点协作实现故障恢复，具体地，定义多个采集设备为一个采集组，所述采集组内的设备和被采集的工业设备通过交换机或数据总线连在一起，被采集的设备部署缓存组件Kafka，所述采集组内的采集设备通过Leader选举机制建立采集组内的系统架构；通过任务执行机制接收用于输入控制指令的客户端发送的用户的采集请求后，根据各个采集设备的负载情况实现任务分配，并通过心跳机制感知系统的状态，监控集群内每一个节点的任务执行状况和节点状况，通过设置任务执行过程中故障处理机制、故障恢复机制在节点发生故障后执行任务恢复操作，最终实现所述分布式集群中对各个所述设备的数据采集以及任务状态的控制，并通过在被采集的设备上设置数据传输模块，结合所述缓存组件Kafka实现将数据本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种工业机器人的数据可靠采集方法，其特征在于：采用可靠的采集架构，架构在接入外部设备后，通过创建设备实体、建立采集任务、执行采集任务三部分的采集流程，抽象同类设备的采集动作，形成统一数据接口返回采集的设备相关参数，具体地：/n所述创建设备实体部分，对外部设定需要进行采集作业的工业设备进行系统登记，登记成功后系统检测是否为拥有工业设备实体记录，确认拥有所述工业设备实体记录后对其进行采集；/n所述建立采集任务部分首先进行选择驱动，所述驱动为采集接口的具体实现，由设备厂商提供，用户在建立采集过程中不需配置命令参数，而是厂商的驱动文件，进而进行驱动配置，完成驱动的协议参数设置，最后进行采集配置，配置采集活动相关的参数；/n所述执行采集任务部分包括采集初始化和开始采集两个步骤，所述采集初始化步骤为通过8个逻辑步骤，对采集设备和被采集设备之间搭建通信环境，所述开始采集步骤为通过3个逻辑步骤，按照采集配置的频率对机器人指定内容进行采集，并将采集的数据缓存。/n

【技术特征摘要】
1.一种工业机器人的数据可靠采集方法，其特征在于：采用可靠的采集架构，架构在接入外部设备后，通过创建设备实体、建立采集任务、执行采集任务三部分的采集流程，抽象同类设备的采集动作，形成统一数据接口返回采集的设备相关参数，具体地：
所述创建设备实体部分，对外部设定需要进行采集作业的工业设备进行系统登记，登记成功后系统检测是否为拥有工业设备实体记录，确认拥有所述工业设备实体记录后对其进行采集；
所述建立采集任务部分首先进行选择驱动，所述驱动为采集接口的具体实现，由设备厂商提供，用户在建立采集过程中不需配置命令参数，而是厂商的驱动文件，进而进行驱动配置，完成驱动的协议参数设置，最后进行采集配置，配置采集活动相关的参数；
所述执行采集任务部分包括采集初始化和开始采集两个步骤，所述采集初始化步骤为通过8个逻辑步骤，对采集设备和被采集设备之间搭建通信环境，所述开始采集步骤为通过3个逻辑步骤，按照采集配置的频率对机器人指定内容进行采集，并将采集的数据缓存。


2.根据权利要求1所述的一种工业机器人的高频数据可靠采集方法，其特征在于：所述协议参数包括IP地址，所述采集活动相关的参数为采集频率或采集环境情况描述，所述通信环境为TCP连接。


3.根据权利要求2所述的一种工业机器人的高频数据可靠采集方法，其特征在于：所述执行采集任务部分的两个步骤具体为：
S1：判断要采集的设备是否已经存在，如果存在进入S3，否则进入S2；
S2：在本系统中登记该设备；
S3：选择本次采集所需驱动；
S4：配置驱动所需参数；
S5：配置采集描述参数；
S6：采集设备根据配置执行采集初始化操作；
S7：判断初始化是否成功如果不成功进入S11，成功进入S8；
S8：开始采集数据；
S9：将采集数据上传；
S10：判断采集过程是否存在故障，若存在进入S11，不存在返回S8；
S11：将故障信息输出，并结束本次采集任务，释放相应资源；
其中所述采集初始化步骤为逻辑步骤S1到S8，所述开始采集步骤为逻辑步骤S9到S11。


4.一种多机协作的分布式采集架构和装置，其特征在于，应用多个使用权利要求1-3中任一所述的一种工业机器人的高频数据可靠采集方法的设备构成分布式集群，采用分布式集群的方式处理请求，利用多节点协作实现故障恢复，具体地，定义多个采集设备为一个采集组，所述采集组内的设备和被采集的工业设备通过交换机或数据总线连在一起，被采集的设备部署缓存组件Kafka，所述采集组内的采集设备通过Leader选举机制建立采集组内的系统架构，通过任务执行机制接收用于输入控制指令的客户端发送的用户的采集请求后，根据各个采集设备的负载情况实现任务分配，并通过心跳机制感知系统的状态，监控集群内每一个节点的任务执行状况和节点状况，通过设置任务执行过程中故障处理机制、故障恢复机制在节点发生故障后执行任务恢复操作，最终实现所述分布式集群中对各个所述设备的数据采集以及任务状态的控制，并通过在被采集的设备上设置数据传输模块，结合所述缓存组件Kafka实现将数据发送存储于云端数据库。


5.如权利要求4所述一种多机协作的分布式采集架构和装置，其特征在于，所述Leader选举机制为在每一个节点上都设置一个选举超时计时器，当超过设定时间没有收到Leader的信息时，触发选举机制，所述节点会并发的向其他的节点发送投票请求，当收到超过一半的节点的确认投票后，所述节点就被选举成为Leader并负责接收用户的采集请求，然后根据各个采集设备的负载情况实现任务分配和任务状态的标记。


6.如权利要求5所述一种多机协作的分布式采集架构和装置，其特征在于，所述任务执行机制在收到所述客户端建立一次采集任务的指令后执行采集任务，所述采集任务的执行方式具体为：
步骤1：用户向所述Leader发送采集任务请求，所述任务请求包含要采集的设备，需要的驱动以及采集的频率参数；
步骤2：所述Leader接收到请求后并发的向集群内的节点发送性能探测请求，探测所述节点的资源占用情况，选择出一个资源占用最少的节点来作为本次任务的执行者；
步骤3：节点返回性能探测的内容，包括三部分，当前节点所能占用的最大内存，当前节点已经使用的内存和当前节点已经分配到的内存，采用已使用内存和最大内存的比值作为性能衡量的标准；
步骤4：所述Leader根据每个节点的性能使用情况选择一个已使用内存和最大内存的比值最小的节点，向其发送尝试连接请求，请求中包含客户端采集请求中的参数；
步骤5：被选择节点会根据所述尝试连接请求的内容判断是否能与被采集设备建立通信链路，并将结果返回给所述Leader；
步骤6：如果所述Leader接收到所述尝试连接请求的结果为可以进行采集，就向多个节点内公布该消息，并将本次任务...

【专利技术属性】
技术研发人员：沃天宇，吕鹏博，郭晓辉，孙杰，刘品，王瑞，祁一凡，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11