基于EtherCAT自动化的机械臂安全检测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于EtherCAT自动化的机械臂安全检测方法及系统，涉及工业机械臂的安全检测技术领域。包括：控制系统模块通过协议模块下发控制数据控制机械臂完成自动化作业流程，并接收传感器模块实时反馈的关节数据；数据捕获模块获取机械臂的实时数据；其中，实时数据包括协议数据以及关节数据；关节数据由数据捕获模块通过传感器模块获取得到；入侵检测模块基于实时数据进行协议数据规则匹配与物理过程检测，得到入侵检测结果；其中入侵检测结果为检测机械臂在进行正常作业时，是否发生入侵行为；远程日志模块基于入侵检测结果，完成机械臂作业时发生入侵行为后的日志记录与响应工作。本发明专利技术能够保证工业机械臂系统的安全与稳定运行。的安全与稳定运行。的安全与稳定运行。

【技术实现步骤摘要】
基于EtherCAT自动化的机械臂安全检测方法及系统


[0001]本专利技术涉及工业机械臂的安全检测
，特别是指一种基于EtherCAT自动化的机械臂安全检测方法及系统。

技术介绍

[0002]在全球的智能制造业中，工业机械臂扮演着越来越重要的角色，已经遍布各种智能工厂，如汽车组装、工业焊接以及零件挑选等场景，甚至中国的空间站也搭载了机械臂系统。工业机械臂已经成为工业领域不可或缺的一部分，因为其不但可以提高生产效率，还可以降低工作的失误率。并且工业机械臂的数量逐年在增长，具有很大的发展空间。
[0003]传统的机械臂系统只被应用在封闭的作业环境中，因为传统工业设备主要是靠工人来进行操作或者只作用于独立的工作台。随着通信网络与相关硬件的发展，现在的机械臂系统已经开始组网，形成智能工厂，整个依靠机械臂的生产流程越来越开放，逐渐接入外网组成CPSs(Cyber
‑
Physical
‑
Social Systems，社会物理信息系统)，这样可以对工厂的生产情况与数据进行监控与智能化操作，及其方便了工业化过程。但是系统开放性带来便利的同时，也带来很大的安全威胁。
[0004]随着针对CPSs攻击的深入研究，目前的攻击可涉及到协议攻击、传感器数据攻击以及控制系统攻击等。同时，有针对性攻击造成的损害覆盖了物理域和网络域。上面提到随着智能化生产流程，机械臂难免接入外网，这样对于网络或者协议的攻击就会造成网络域的破坏；对于控制系统的攻击，如篡改指令或者传感数据、控制数据欺骗攻击等，虽不会影响网络域，但是极可能会造成物理损害，甚至人员损伤，后果不堪设想。攻击者会对控制系统以及传感器进行攻击，将机械臂的执行指令逻辑进行篡改，致使机械臂不能够按照正常作业流程来运行，为了避免系统检测出异常，还对传感器进行攻击，将传感器数据篡改为正常数据进行反馈，造成很大的危害。随着入侵技术的提高，现在出现很多隐蔽攻击，系统异常检测更难以发现，可以造成持久的伤害。所以对于机械臂系统的防护成为重中之重，刻不容缓。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有技术机械臂在流水线作业时安全难以得到保障的问题，提出了本专利技术。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一方面，本专利技术提供了一种基于EtherCAT自动化的机械臂安全检测方法，该方法由基于EtherCAT自动化的机械臂安全检测系统实现，该系统包括控制系统模块、协议模块、传感器模块、数据捕获模块、入侵检测模块、远程日志模块；该方法包括：
[0008]S1、控制系统模块通过协议模块下发控制数据控制机械臂完成自动化作业流程，并接收传感器模块实时反馈的关节数据。
[0009]S2、数据捕获模块获取机械臂的实时数据；其中，实时数据包括协议数据以及关节
数据；关节数据由数据捕获模块通过传感器模块获取得到。
[0010]S3、入侵检测模块基于实时数据进行协议数据规则匹配与物理过程检测，得到入侵检测结果；其中入侵检测结果为检测机械臂在进行正常作业时，是否发生入侵行为。
[0011]S4、远程日志模块基于入侵检测结果，完成机械臂作业时发生入侵行为后的日志记录与响应工作。
[0012]可选地，S3中的入侵检测模块包括协议入侵检测模块以及物理过程入侵检测模块。
[0013]入侵检测模块基于实时数据进行协议数据规则匹配与物理过程检测，得到入侵检测结果包括：
[0014]将实时数据的协议数据输入到协议入侵检测模块，检测机械臂作业时、以太网控制自动化技术EtherCAT协议数据是否发生入侵行为。
[0015]将实时数据的关节数据输入到物理过程入侵检测模块，检测机械臂作业时物理过程是否发生入侵行为。
[0016]可选地，协议入侵检测模块的建立过程包括：
[0017]获取机械臂正常运行状态下的协议数据。
[0018]对协议数据进行特征提取。
[0019]基于特征提取后的协议数据建立白名单规则库，得到协议入侵检测模块。
[0020]可选地，将实时数据的协议数据输入到协议入侵检测模块，检测机械臂作业时、以太网控制自动化技术EtherCAT协议数据是否发生入侵行为包括：
[0021]将实时数据的协议数据输入到协议入侵检测模块，判断实时数据是否符合白名单规则库，如果实时数据符合白名单规则库，则判断机械臂作业时EtherCAT协议数据未发生入侵行为，如果实时数据不符合白名单规则库，则判断机械臂作业时EtherCAT协议数据发生了入侵行为。
[0022]可选地，物理过程入侵检测模块的建立过程包括：
[0023]获取机械臂正常运行状态下的运动学与动力学参数。
[0024]基于运动学与动力学参数建立数据集。
[0025]基于数据集，训练机器学习模型，机器学习模型对机械臂的运行状态进行分类，从而判断运行状态是否异常，得到物理过程入侵检测模块；其中，运行状态包括初始化状态、向抓取点运行状态、抓取状态、向放置点运行状态以及放置状态。
[0026]可选地，将实时数据的关节数据输入到物理过程入侵检测模块，检测机械臂作业时物理过程是否发生入侵行为包括：
[0027]将实时数据的关节数据输入到物理过程入侵检测模块，判断机械臂在运行过程中，任一时刻运行状态是否衔接上一时刻运行状态或运行状态未发生变化，如果任一时刻运行状态衔接上一时刻运行状态或运行状态未发生变化，则判断机械臂作业时物理过程未发生入侵行为，如果任一时刻运行状态未衔接上一时刻运行状态且运行状态发生变化，则判断机械臂作业时物理过程发生了入侵行为。
[0028]可选地，S4中的远程日志模块基于入侵检测结果，完成机械臂作业时发生入侵行为后的日志记录与响应工作包括：
[0029]当入侵检测结果为机械臂在进行作业时发生入侵行为时，远程日志模块将发生入
侵行为的异常数据反馈给安全员主机，安全员主机向控制系统模块下达停机指令，并根据异常数据构建异常日志文件。
[0030]另一方面，本专利技术提供了一种基于EtherCAT自动化的机械臂安全检测系统，该系统应用于实现基于EtherCAT自动化的机械臂安全检测方法，该系统包括控制系统模块、协议模块、传感器模块、数据捕获模块、入侵检测模块、远程日志模块；其中：
[0031]控制系统模块，用于通过协议模块下发控制数据控制机械臂完成自动化作业流程，并接收传感器模块实时反馈的关节数据。
[0032]协议模块，用于传输控制系统模块与传感器模块之间的数据。
[0033]传感器模块，用于获取并实时反馈的关节数据。
[0034]数据捕获模块，用于获取机械臂的实时数据；其中，实时数据包括协议数据以及关节数据；关节数据由数据捕获模块通过传感器模块获取得到。
[0035]入侵检测模块，用于基于实时数据进行协议数据规则匹配与物理过程检测，得到入侵检测结果；其中入侵检测结果为检测机械臂在进行正常作本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于EtherCAT自动化的机械臂安全检测方法，其特征在于，所述方法由基于EtherCAT自动化的机械臂安全检测系统实现，所述系统包括控制系统模块、协议模块、传感器模块、数据捕获模块、入侵检测模块、远程日志模块；所述方法包括：S1、所述控制系统模块通过所述协议模块下发控制数据控制机械臂完成自动化作业流程，并接收所述传感器模块实时反馈的关节数据；S2、所述数据捕获模块获取机械臂的实时数据；其中，所述实时数据包括协议数据以及关节数据；所述关节数据由所述数据捕获模块通过所述传感器模块获取得到；S3、所述入侵检测模块基于所述实时数据进行协议数据规则匹配与物理过程检测，得到入侵检测结果；其中所述入侵检测结果为检测所述机械臂在进行正常作业时，是否发生入侵行为；S4、所述远程日志模块基于所述入侵检测结果，完成所述机械臂作业时发生入侵行为后的日志记录与响应工作。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S3中的所述入侵检测模块包括协议入侵检测模块以及物理过程入侵检测模块；所述入侵检测模块基于所述实时数据进行协议数据规则匹配与物理过程检测，得到入侵检测结果包括：将所述实时数据的协议数据输入到所述协议入侵检测模块，检测所述机械臂作业时、以太网控制自动化技术EtherCAT协议数据是否发生入侵行为；将所述实时数据的关节数据输入到所述物理过程入侵检测模块，检测所述机械臂作业时物理过程是否发生入侵行为。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述协议入侵检测模块的建立过程包括：获取所述机械臂正常运行状态下的协议数据；对所述协议数据进行特征提取；基于特征提取后的协议数据建立白名单规则库，得到协议入侵检测模块。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将所述实时数据的协议数据输入到所述协议入侵检测模块，检测所述机械臂作业时、以太网控制自动化技术EtherCAT协议数据是否发生入侵行为包括：将所述实时数据的协议数据输入到所述协议入侵检测模块，判断所述实时数据是否符合所述白名单规则库，如果所述实时数据符合所述白名单规则库，则判断所述机械臂作业时EtherCAT协议数据未发生入侵行为，如果所述实时数据不符合所述白名单规则库，则判断所述机械臂作业时EtherCAT协议数据发生了入侵行为。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述物理过程入侵检测模块的建立过程包括：获取所述机械臂正常运行状态下的运动学与动力学参数；基于所述运动学与动力学参数建立数据集；基于所述数据集，训练机器学习模型，所述机器学习模型对机械臂的运行状态进行分类，从而判断运行状态是否异常，得到物理过程入侵检测模块；其中，所述运行状态包括初始化状态、向抓取点运行状态、抓取状态、向放置点运行状态以及放置状态。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：解仑，周玉林，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：