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人机协作制造数据管理与可视化平台设计与实现毕业论文

 2020-02-17 09:02  

摘 要

人机协作是一个热门的词汇,它将会是未来工厂自动化的趋势,随着人机协作的深层交流和发展,人类与机器人的相互协作不断促进生产效率,解放劳动力。而在人机协作的便捷条件下,其大量的数据也会成为我们的负担,如何处理这数据带来的麻烦,于此,本文模拟生产车间的生产情况,设计了一个人机协作的数据可视化管理系统,该系统的模块包括人员信息管理,设备状态监控,材料库存显示,人机协作模拟以及管理操作记录。主要的功能包括增删改查和状态切换。监测的数据用图表的可视化形式展现,而且人机协作模拟使用情景可视化的方式对工厂的生产情况以及人机协作的配合展现在页面之上。

本文设计的系统旨在使用轻量级的Web系统开发模式完成人机协作制造场景中的数据管理与可视化的功能。借助该平台,相关管理人员可以便捷快速地管理人机协作制造中的数据。

关键词:人机协作;数据可视化;管理系统

Abstract

Human-robot collaboration is a hot word, and it will be the trend of factory automation in the future. With the deep communication and development of human-robot collaboration, the interaction between humans and robots continues to promote production efficiency and liberate labor. Under the convenient conditions of human-robot cooperation, a large amount of data will become our burden, how to deal with the trouble caused by this data. In this paper, this paper simulates the production situation of the production workshop and designs a data visualization of human-robot collaboration.Management system, the module of the system includes personnel information management,equipment status monitoring, material inventory display, human-robot collaboration simulation and management operation records.The main functions include additions, deletions, and status switches. The monitored data is presented in a visual form of the chart, and the human-robot collaboration simulation uses contextual visualization to show the factory's production and human-robot collaboration on the page.

The system designed in this paper aims to use the lightweight Web system development model to complete the data management and visualization functions in the human-robot collaborative manufacturing scenario. With this platform, relevant managers can quickly and easily manage data in human-robot collaboration manufacturing.

KeyWords: Human-robot collaboration;Data visualization;Management system

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 课题主要内容 2

1.4 章节安排 2

第2章 系统相关技术 3

2.1 MVC框架 3

2.2 可视化 3

2.3 B/S框架 4

2.4 可视空间 5

2.4.1 视觉投影变换 5

2.4.2 视图变换矩阵 8

2.5 总结 9

第3章 系统的详细设计 10

3.1 系统框架设计 10

3.2 系统模块设计 10

3.3 数据库的设计 11

3.3.1 管理员主题域E-R模型 11

3.3.2 员工主题域E-R模型 11

3.3.3 生产设备主题域E-R模型 12

3.3.4 原材料主题域E-R模型 12

3.3.5 总E-R图 13

3.4 系统数据表设计 13

3.5 系统使用工具 14

3.5.1 HTML5 14

3.5.2 WebGL 15

3.5.3 JAVA EE 16

3.6 模块具体实现 17

3.6.1 人员信息管理 17

3.6.2 设备状态监控 18

3.6.3 材料库存显示 19

3.6.4 管理操作登入 20

3.6.5 人机协作模拟 20

3.7 总结 21

第4章 系统的功能演示 22

4.1 管理员登入界面 22

4.2 数据管理界面 23

4.3 数据可视化界面 28

4.4 生产模拟界面 29

4.5 总结 30

第5章 总结与展望 31

5.1 总结 31

5.2 展望 31

参考文献 32

致谢 33

第1章 绪论

1.1 课题背景

这将是一个协作的时代,也是一个数据的时代。

人机协作是一个新兴的词汇,未来也将叱咤一个时代。比尔盖茨在国际消费类电子产品展览会(CES)上演讲到:“目前机器人行业的发展历程与 30 年前的电脑行业有着极大的相似之处。今天前线机器人正在汽车装配线上忙碌的工作着,这不正是当年大型计算机所经历过的阶段嘛。现在,我见证了潮流的技术发展趋势迅猛发展,并且他们已然成为了推动机器人技术前进的洪流,我仿佛可以看到未来,机器人将成为我们日常生活的一部分[[1]]”。机器人的普及必将改变人们的生产方式,以及未来的生活方式,目前机器人已经逐步走向了工厂,在生产过程中,人类与机器人的相互协作促进了生产效率,解放了部分劳动力,推动了潮流的发展。

目前工业发展急待突破的重要课题就是人机协作式机器人的发展。人机协作旨在生产过程中,让工人们和机器人或是机器手臂可以更好的配合,提高工作效率,适应更加广泛且富有挑战性的工作。机器人若是想要更深入的融入到人类日常生活中,那么人机协作发展水平的高低将会是衡量机器人性能优劣的重要参数。也许在未来,机器人会和人类像伙伴一样共同生活在一起,那么我们不仅要实现人类和机器人的语言交流,还要完成思想和精神目标的一致的长远目标,如今我们所最需要达到的,同时也是最实际的需求,那就是可以实现人与机器人能够一同协作,成为人类的工作伙伴,共同完成任务。

人机协作必然会产生大量的数据,而大数据是我们现在耳熟能详的词汇,其特点不言而喻,一个大字就突出了数量庞大,类型丰富多样。他的产生来源于生产生活的方方面面,在通过互联网传输,集中在一起,通过大量定性定量的分析就能从中挖掘出有价值的信息,并通过机器学习等方法深度研究,对发现新规律,新知识和新潮流,有着不可忽视的作用,从而达到经济效益的提高,生产安全的保障和科学技术的发展。然而,生产生活中每个人,每台机器都会产生大量的数据,这些数据的堆积势必会造成资源的浪费,及时可靠的分析数据,处理数据将会是刻不容缓的问题,谁能提高数据利用率,就能掌握主动权。因此数据可视化顺应大数据的时代潮流而兴起,高效直观的数据界面使得数据处理研究更加得心应手。

1.2 国内外研究现状

人机协作的兴起自然引起了国内外大量的学者对其展开深入的研究与思考。世界上第一台协作机器人是由优傲公司推出,并在2008年销售了首台UR5协作式机器人。人机协作已经成为发展的一个重要趋势,目前全球机器人四大家族都已经推出相应的产品。例如ABB集团的YuMi协和机器人,发那科的CR系列协作机器人,库卡机器人公司的LBRiiwa协作机器人以及安川公司的MotoMINI。

Heydaryan, S.等学者在他们的文章[[2]]里,介绍了针对汽车制动盘组件的人机协作研究的研究成果。提出了层次分析法(AHP)作为人机协作系统的决策方法,并应用详细的分层任务分析(HTA)将操作任务分配给人和机器人,从而减少了干扰的机会。用虚拟建模进行评测,最终得出通过人机协作并没有明显改变效率但能大幅度降低操作人员的风险。就安全问题,Oyekan, J. O.等学者在他们的文章[[3]]中进行大量的研究,虚拟现实环境是否能够提供安全和有效的环境来进行人机协作研究,通过虚拟的模拟,将经验在运用于实际的车间,减少安全风险。

Liu, H和 Wang, L[[4]]提出了人机协作的手势识别整体模型,并探索在人机协同制造中应用手势识别的可能性。而盛寅[[5]]讨论了人机协作系统包括人件、硬件和软件。针对此人机协作系统,根据基于角色协作的执作过程,研究了Agent评估方法、任务分配方法、自适应协作方法以及实现了人件与软件的协作。

1.3 课题主要内容

随着人机协作的高速发展,应用场景越来越趋于多元化,其在工业制造依然占主体地位。生产过程中会产生大量的数据,如何在大量的数据中提取出有价值的信息,成为困扰我们的一大难题。毫无疑问,这个问题的处理受到了广泛的关注,数据可视化因此顺应时代而兴起,它将数据处理和交互以直观的方式展示在眼前,通过计算机绘图的方式,提供多种形象生动的图形图表方法,更加直观地表达晦涩难懂的传统数据[[6]],高效明了地提高用户对数据的视觉感知。

本设计使用轻量级的Web系统开发模式完成人机协作制造场景中的数据管理与可视化的功能。借助该平台,相关管理人员可以便捷快速地管理人机协作制造中的数据。管理功能包括制造装备、操作人员、物料等功能。为便于分析改进人机协作制造场景的设计及复盘制造任务的细节,人机协作制造数据可视化除各种数据统计图分析外包含机器人虚拟模型呈现、操作人员的虚拟呈现,最终实现一个B/S架构的轻量级Web平台。

1.4 章节安排

第二章系统相关技术,介绍用到的一些理论

第三章系统详细设计,介绍软件选型,以及相关的功能模块设计

第四章系统功能实现,介绍主要功能,并展示相关界面

第五章全文总结与展望,对系统的设计与实现进行总结

第2章 系统相关技术

2.1 MVC框架

MVC全称Model View Controller,可概括为模型-视图-控制器,是一种软件设计模范[[7]]。它是用一种分离的方法来组织代码,将业务逻辑、数据与界面显示分隔开来,将众多的业务逻辑聚集到一个部件里面,在不同的需求面前,不用重新编写业务逻辑,可以提高编写者的效率[[8]],他们之间的关系如图2.1所示。

图2.1 MVC模式开发示意图

Model表示业务模型,拥有大量的处理任务,数据的格式不会影响模型的使用,因此同个模型能够重复使用,给不同的界面提供数据,这样明显的减少了代码的重复性。

View表示用户界面,需要直接向用户展示数据以及相关内容,它只作为一个展柜,并不会对数据进行真正的处理,但却允许用户进行操作。

Controller表示控制器,在用户界面收到用户的操作,调用模型方法,改变视图以达到满足用户的需求。它作为一个调度者,不直接处理和输出。

MVC优势很多,首先,其耦合度低,分为三个方面,当需求改变的时候,可能只需要变动其中的部分方面,不需要全部改变,它使程序员可以专注于他所编写的方面,使得每个人的工作都非常清晰,术业有专攻,使开发时间得到相当大的缩减,有效降低页开发的复杂度,提高开发效率,降低维护成本;其次,重用性高,模型可以反复使用,使得代码冗余度大大降低,也使得更易于维护和修改。

然而MVC缺点也很多,理论看似简单,但在实际操作,调试非常困难,它需要每个构件在使用之前都要测试。不适合小型的应用程序,反而会增加复杂性。

2.2 可视化

可视化,就是一种视觉技术,它能将各种抽象,模糊的内容,以一种生动,具体的方式展现在用户面前。因此,它是一种技术,是一个统称,无论是科学可视化、数据可视化还是信息可视化等等,一系列只要存在这种视觉化的转变关系的都可以纳入可视化的范畴[[9]]。

Ben Fry在他的著作《Visualizing Data》里把数据可视化的流程分为了七步:获取、分析、过滤、挖掘、表示、修饰、交互[[10]]。

获取——是一个数据收集的过程,数据的来源源自方方面面,本地和网络是获取的主要方式。

分析——将获取的数据进行分析,按照一定的方式分类,分析它们的意义所在,作出归纳。

过滤——是一个粗中取细的过程,将冗余的数据细化,只保留有益的数据,减少后面过程的处理量,提高效率。

挖掘——数据挖掘是数据可视化的中枢系统,是在错综复杂的数据关系中,找到冥冥之中的潜在联系,发现隐藏的规律,为得出普遍规律提供数据证明。

表示——在这一步,就需要去选择适当的视觉模型,而视觉模型种类繁多,正确选择一个合适的模型,能够精确的表达出数据潜在的含义,同时,这也是对前面步骤检验和测试,特别是在数据的获取和过滤方面,这一步尤为重要。所以,表示是可视化过程中一个关键性步骤。

修饰——对表示模型进行修饰,目的就是使之更加的生动具体。就像是对房子进行装修,突出特点,减少干扰,使数据的表达更加清晰直观,而又丰富美观。

交互——这最后一步是可视化的重点,前面的步骤都是为该步骤的铺垫。交互所做的是让用户对内容及其属性进行操作,例如当使用者只研究某一属性时,可以操作去隐藏其他属性,专注研究某一方面的数据。而对三维空间的可视化效果,用户可以改变视角,多角度的观察,从而全面的了解数据。

不仅如此,在前面的步骤中用户并没有直接参与,而在交互的过程中,用户作为主体,主动控制和探索数据的潜在价值,由接受转为去发现,去思考。可视化研究的意义在此得以实现,给用户一条更加生动具体的数据探索之路。

2.3 B/S框架

在WEB兴起后,B/S结构(Browser/Server,浏览器/服务器模式)成为了一种广受欢迎的网络结构模式[[11]],其中网页浏览器是客户端最主要的应用软件。这种模式改变了传统的方式,减少了客户端的负载,将系统功能实现的核心部分集中到服务器上,减少了系统开发的成本、维护的费用[[12]],使使用更加便捷。客户机上只要安装一个浏览器,然后在服务器上安装数据库。浏览器通过介质同数据库就能进行数据交互[[13]]。

B/S模式最显著的特点就是维护和升级方式简单,在需求日益繁多的今天,频繁的升级和改进已经成为跟上潮流的主旋律,B/S在这方面的优势显示的玲离尽致。因为所有的客户端只是浏览器,所以维护升级只需要针对服务器进行。这将是未来的趋势,客户端的功能渐渐向服务器移动,导致客户端非常的精简,大大减少维护升级的难度,而服务器相应的会越来越庞大,这样集中了人力处理这一个方面,又不会干扰到用户,因此这将会是信息化发展的主流方向。

其次B/S模式成本低,然而选择更多。如今window被大部分的用户所使用,但服务器操作系统选择多样,无论哪种,都不影响用户的使用,因此开源的系统使得成本降低。

最后就是B/S模式的框架需要单位备有数据库存储服务器,正如上文所说,服务器由于承载了大量的功能,运行数据负荷不断加重,而一旦发生服务器崩溃,会导致大量正在使用的用户断开连接,造成不堪设想的损失。以防万一,备份是很必要的。

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