I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.   7 ,   No .   6 Dec em b er   201 7 ,   p p .   3 42 1 ~ 3 4 3 5   I SS N:  2 0 8 8 - 8 7 0 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /i j ec e. v 7 i6 . p p 3 42 1 - 343 5          3421       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I JE C E   Wireless   Fault D e tect io Sy ste m   for a n Indus t ria l R o bo Ba sed  o n St a tistical  Co n trol Cha rt       Ala a   Abdu lha dy   J a ber 1 Ro bert   B ick er 2   1 M e c h a n ica En g in e e rin g   De p a rt m e n t,   Un v e rsity   o f   T e c h n o lo g y ,   Ira q   2 S c h o o o f   M e c h a n ica a n d   S y ste m s E n g in e e rin g ,   Ne w c a stle Un iv e rsit y ,   UK       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Dec   7 ,   2 0 1 6   R ev i s ed   Ma y   3 1 ,   2 0 1 7   A cc ep ted   J u n   2 5 ,   2 0 1 7       In d u strial  ro b o ts  a re   n o w   c o m m o n ly   u se d   in   p r o d u c ti o n   sy ste m to   im p ro v e   p ro d u c ti v it y ,   q u a li ty   a n d   sa fe ty   in   m a n u f a c tu rin g   p ro c e ss e s.  Re c e n d e v e lo p m e n ts  in v o lv e   u sin g   r o b o ts  c o o p e ra ti v e l y   w it h   p r o d u c ti o n   li n e   o p e ra ti v e s.  Re g a rd les o f   a p p li c a ti o n ,   th e re   a re   sig n if ica n im p li c a ti o n f o r   o p e ra to sa f e t y   in   th e   e v e n o a   ro b o m a lf u n c ti o n   o f a il u re ,   a n d   th e   c o n se q u e n d o w n ti m e   h a a   sig n if ica n im p a c o n   p ro d u c ti v it y   in   m a n u f a c tu rin g .   M a c h in e   h e a lt h y   m o n it o rin g   is  a   ty p e   o f   m a in ten a n c e   in sp e c ti o n   tec h n iq u e   b y   w h ich   a n   o p e ra ti o n a l   a ss e is  m o n it o re d   a n d   t h e   d a ta   o b tai n e d   is  a n a ly s e d   to   d e tec sig n o f   d e g r a d a ti o n   a n d   t h u re d u c in g   th e   m a in ten a n c e   c o sts.  De v e lo p m e n ts  in   e lec tro n ics   a n d   c o m p u ti n g   h a v e   o p e n e d   n e w   h o rizo n in   th e   a re a   o f   c o n d it io n   m o n it o ri n g .   T h e   a i m   o f   u sin g   w irele s s   e lec tro n ic  s y ste m s   is  to   a ll o w   d a ta  a n a l y sis  to   b e   c a rri e d   o u lo c a ll y   a f ield   lev e a n d   tran sm it ti n g   th e   re su lt s   w irele ss l y   to   th e   b a se   sta ti o n ,   w h ich   a a   re su lt   w il h e lp   to   o v e rc o m e   th e   n e e d   f o w iri n g   a n d   p ro v id e a n   e a s y   a n d   c o st - e ff e c ti v e   se n sin g   tec h n iq u e   to   d e tec f a u lt in   m a c h in e s.  S o ,   th e   m a in   f o c u se o f   th is  re se a rc h   is  to   d e v e lo p   a n   o n li n e   a n d   w irele ss   f a u lt   d e tec ti o n   s y ste m   f o a n   in d u strial  ro b o b a s e d   o n   sta ti stica c o n tro c h a rt  a p p ro a c h .   A n   e x p e ri m e n tal  in v e stig a ti o n   w a s   a c c o m p li sh e d   u sin g   th e   P U M A   5 6 0   ro b o a n d   v ib r a ti o n   sig n a c a p t u ri n g   w a s   a d o p ted ,   a it   re sp o n d imm e d iate ly   to   m a n if e st   it se lf  i f   a n y   c h a n g e   is  a p p e a re d   in   th e   m o n it o re d   m a c h in e ,   to   e x trac t   f e a tu re re late d   to   th e   r o b o h e a lt h   c o n d it i o n s.   T h e   re su lt i n d ica te  th e   su c c e ss f u d e tec ti o n   o f   f a u lt a th e   e a rly   sta g e u sin g   th e   k e y   e x trac ted   p a ra m e ters .   K ey w o r d :   C o n d itio n   m o n ito r in g   Fau lt  d etec tio n   I n d u s tr ial  r obot   Statis t ical  c o n tr o c h ar t   W ir eless   s y s te m   Co p y rig h ©   2 0 1 7   In stit u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   A laa  A b d u lh ad y   J ab er ,     Me ch an ical  E n g i n ee r in g   Dep a r t m en t,    Un v er s it y   o f   T ec h n o lo g y ,   B ag h d ad /I r aq .   E m ail: 2 0 0 3 9 @ u o tech n o lo g y . ed u . iq       1.   I NT RO D UCT I O N   I n   m ac h in e s   co n d itio n   m o n ito r in g   ( C M) ,   f a u lt  d etec tio n /d iag n o s tic  ap p r o ac h es  ca n   b class i f ied   in to   t w o   t y p es,  d ep en d e n o n   w h et h er   t h d iag n o s i s   e v al u atio n   is   b ased   o n   d eter m in is tic   o r   s to ch asti c   i n f o r m atio n   ( e. g . ,   h is to r ical,   s ta tis t ical  p ar a m eter s ) .   T h e   f ir s o f   w h ic h   h as  b ee n   ter m ed   m o d el - b as ed   o r   “w h ite  b o x   ap p r o ac h ,   w h ile  t h s ec o n d   i s   k n o w n   as  d ata - d r iv e n   o r   b la ck   b o x ”  ap p r o ac h   [ 1 ] - [ 3 ] .   T h m o d el - b a s ed   f a u lt   d etec tio n   ap p r o ac h   e m p lo y s   a   m at h e m a tical  m o d el  o f   th s y s te m   u n d er   o b s er v atio n ,   b y   as s u m i n g   th at  f a u l t   in   t h e   s y s te m   w ill   lead   to   d et er m in is tic   ch a n g es   i n   t h m o d el  p ar a m eter s .   I t   r elies   o n   c o m p ar i n g   t h m o d el   o u tp u ts   w i th   t h ac tu a s y s te m   o u tp u ts   to   g e n er ate  r esid u al  s i g n a l,  an d   b ased   u p o n   th p r o p e r ties   o f   th e   g en er ated   r esid u al  s ig n al,   p o t en tial  f a u lt  co n d itio n s   ar id en ti f ied   an d   u s e f u i n f o r m ati o n   is   e x tr ac ted   [ 4 ] Data - d r iv e n   ap p r o ac h es   d ep en d   o n   th e   f ea tu r e s   e x tr ac ted   f r o m   th e   m ea s u r ed   p r o ce s s   d ata  f o r   b u ild in g   a   m o d el   th a r ep r esen t s   t h p r o ce s s ,   a n d   th e s ar ca te g o r is e d   in to   t w o   t y p es;   s tati s tical   b ased   m et h o d s   a n d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 7   :   3 4 2 1     3 4 3 5   3422   th o s b ased   o n   ar ti f icial   in t ellig e n ce   ( A I )   tec h n iq u es   [ 5 ] , [ 6 ] .   Ho w e v er ,   ac cu r ate  a n al y tical   m o d els   o f   in d u s tr ial  r o b o ts   ar o f ten   n o p r ac ticab le  an d   d if f icu lt  to   b co n s tr u cted   d u to   d y n a m ic   co m p le x it y   o f   th e   r o b o an d   u n a v o id ab le  u n ce r t ain tie s   [ 7 ] .   A cc o r d in g l y ,   m o d el - f r ee   ap p r o ac h   b ased   o n   s tat is tical  co n tr o l   ch ar t   ( SC C )   is   co n s id er ed   in   t h is   r es ea r ch   f o r   estab lis h i n g   f au lt d etec tio n   s y s te m   f o r   an   in d u s tr i al  r o b o t.   T h co n ce p o f   m o d el - f r ee   b ased   f au lt  d etec tio n   a n d   d iag n o s is   h as  s t i m u lated   th i n ter e s o f   u s i n g   n o v elt y   d etec tio n   f o r   co n d itio n   m o n ito r in g ,   w h ic h   f o c u s es  o n   id en ti f y in g   an y   d ev iatio n s   b et w ee n   th f ea t u r es  ex tr ac ted   f r o m   t h r ec e n m ea s u r ed   d ata  a n d   t h d ata  m ea s u r ed   u n d er   n o r m al  ( h ea lt h y )   o p er atin g   co n d itio n s .   T h f ea tu r e s   o b tain ed   f r o m   a   m ac h in e   in   its   u n d a m ag ed   s tat w ill  h a v d is tr ib u tio n   w it h   an   as s o ciate d   m ea n   an d   v ar ian ce .   Ho w e v er ,   v a r iatio n   in   t h m ea n   a n d /o r   v ar ian ce   w ill  ap p ea r   if   th m ac h in i s   d a m a g ed .   Statis t ical  co n tr o ch ar ts   ( S C C s )   p r o v id f r a m e w o r k   f o r   m o n ito r in g   t h d is tr ib u tio n   o f   th f ea tu r es  a n d   d etec tio n   i f   t h e y   ar i n c o n s is t en w it h   th p as h ea lth y   s tate,   an d   an y   c h a n g in   th d i s tr ib u tio n   ch ar ac ter is tics   o f   th f ea tu r es  w i ll  in d icate   d am a g e,   ter m ed   o u tl ier   an al y s is .   S C C s   ar o n o f   th ea r lies s tati s tical  f au lt   d etec tio n   tech n iq u es  d ati n g   b ac k   to   1 9 3 1   [ 6 ] .   Star tin g   w it h   t h ad v en t   o f   Sh e w h ar co n tr o ch ar t s   f o r   av er ag i n g ,   u s u all y   ca lled   X - b ar   ( ̅ )   ch ar t,  w h ic h   is   n o r m all y   u s ed   in   co m b i n atio n   w i th   r an g ch ar ( R   c h ar t)   o r   s tan d ar d   d ev iatio n   ch ar ( ch ar t)   [ 8 ] .   Fu r th er   m o d if icatio n   to   Sh e w h ar ch ar ts   h a v r esu lted   in   c u m u lat iv e   s u m   ( C USUM)   a n d   t h e x p o n en t iall y   w ei g h ted   m o v i n g   a v er ag ( E W M A )   c h ar ts   i n   t h ea r l y   1 9 5 0 s   [ 6 ] B ec au s th e s ch ar ts   ar ea s y   to   co n s tr u ct,   i m p le m e n t,  an d   in ter p r et,   th e y   r ec ei v ed   lar g ac ce p tan ce   in   th e   f ield   o f   m ac h i n e s   an d   p r o ce s s es  m o n ito r in g .     T ec h n iq u es   b ased   o n   SC C s   ca n   b cla s s i f ied   to   t w o   ap p r o ac h es:   t h u n iv ar iate   an d   m u lti v ar iate   ap p r o ac h es.  I n   t h f o r m er   m e th o d   ea ch   ch ar ac ter is tic  o f   i n t er est  is   m o n ito r ed   in d ep en d e n tl y   w h er ea s   in   th e   latter   th e   co n c u r r en t   m o n ito r i n g   o f   ch ar ac ter is tics   is   ac co m p lis h ed ,   co n s id er in g   t h co r r el atio n   t h at  m a y   e x i s a m o n g   th v ar io u s   c h ar ac ter is tics   [ 6 ] , [ 9 ] B ay d ar ,   et  al.   [ 1 0 ]   p r esen ted   m u lti v ar iate  s tati s tical  m et h o d o lo g y   f o r   h elica g ea r s   m o n ito r in g .   T h g ath er ed   ti m e - d o m ain   v ib r atio n   s i g n a ls   w er e m p lo y ed   to   f o r m   r ef er e n ce   co n d itio n   m o d el  u s in g   p r in cip le  co m p o n e n an al y s is   ( P C A ) .   T h T - s q u ar co n tr o ch ar t,  t y p o f   m u lti v ar iate   SC C s ,   w as  ad o p ted   as  h ea lth   co n d itio n   in d icato r .   R esear c h er s   co n clu d ed   th at  w h e n   to o th   f ailu r e s   o cc u r ,   th p r o b a b ilit y   d en s it y   f u n ctio n   ( P DF)   o f   th m ea s u r ed   s i g n al  w il ch a n g w h ic h   g iv e s   g o o d   in d icatio n   ab o u t h e   h ea lt h   co n d itio n .     An o th er   p ap er   ap p lied   t w o   s tatis t ical  tech n iq u e s   f o r   w i n d   tu r b in g ea r b o x   C [ 11 ] .   T h f ir s tech n iq u w as  b ased   o n   d ata - m in in g   al g o r ith m s   u s ed   to   b u ild   s tatis tical  m o d el  f o r   p r ed ictin g   t h j er k   in d icate d   b y   t h v ib r atio n   ex cite m en o f   t h g ea r b o x .   T h is   m o d el  w as   u t ilized   i n   co n j u n ctio n   w it h   ex p er i m e n tall y   ca p tu r ed   v ib r atio n   s i g n al  to   p r o d u ce   r esid u a s ig n al s .   T w o   co n tr o ch ar t s ,   X - b ar   an d   E W M ch ar ts ,   w er co n s tr u cted   to   ev alu ate  th r esid u al  an d   f a u lt  p r ed ictio n .   An o th er   ap p licatio n ,   a m o n g s o th er s ,   o f   s tatis t ical  co n tr o ch ar t s   is   f o r   r o ller   b ea r i n g s   co n d itio n   m o n ito r in g .   Nik n a m ,   et  al.   [ 1 2 ]   at  Un i v er s it y   o f   T en n ess ee   i n v e s ti g ate  th u s e   o f   C USUM  c h ar f o r   d etec tin g   b ea r in g   f ailu r e s ,   s u c h   as  u n b alan ce ,   b ased   o n   ac o u s tic  e m i s s io n   s i g n a an al y s i s .   Si m ilar l y ,   Z h o u ,   et  al.   [ 1 3 ]   p r esen ted   an   ap p r o ac h   f o r   in   s it u   i n d u ct io n   m o to r   b ea r in g   f au lt d etec tio n   b y   co m b in in g   n o is ca n ce llati o n   an d   X - b ar   ch ar t.  I n   t h is   w o r k   th m o to r   cu r r en t   s ig n at u r w as  a n al y s ed   to   ex tr ac f ea tu r es  r elate d   to   b ea r in g s   d eter io r atio n .   T w o   co n tr o ch ar ts   w er d ev elo p ed   b ased   o n   Sh e w h ar av er ag c h ar to   id en tify   t h i n itial  s tar p o in o f   t h b ea r in g   d ef ec [ 14 ] .   T h ese   ch ar ts   ar n a m ed   ad ap tiv m o v in g   av er a g ch ar t,  an d   ad ap tiv Sh e w h ar av er a g lev el  c h a r t s .   B ased   o n   th ese  ch ar ts   t h r e s ea r ch er s   w er ab le  to   p r o d u ce   w ar n i n g   an d   ac t io n   li m it s .   T h f in d i n g s   o f   t h i s   s t u d y   s u g g e s t h at   th ad ap tiv Sh e w h ar t a v er ag e   lev el  c h ar t o v er co m e s   t h d r aw b ac k   o f   ad ap tiv m o v in g   c h ar ts   b y   w o r k i n g   o u t   th li m it s   u s in g   all  t h b ea r in g s   d ata.   I n   th m aj o r it y   o f   C s y s te m s ,   w it h   s p ec ial  f o cu s   o n   in d u s tr ial  r o b o ts ,   it  h as  b ee n   n o ted   th at  f o r   s ig n al  ac q u is i tio n ,   p r o ce s s i n g ,   s to r ag a n d   d ec is io n   m ak i n g ,   d ata  ac q u is i tio n   ( D AQ)   ca r d s   co n n ec ted   to   P C s ,   as  t h eir   m ai n   p r o ce s s i n g   co r e,   w er e   ex te n s iv el y   u s ed ,   w h i ch   ad d s   co n s id er ab l y   to   t h c o s o f   C M   s y s te m .   R ec en t   d ev elo p m e n t s   i n   elec tr o n ics  a n d   co m p u ti n g   h av e   o p en ed   n e w   h o r izo n s   i n   t h e   ar ea   o f   co n d itio n   m o n ito r i n g ,   an d   e m b ed d ed   d ev ices   an d   w ir eles s   s y s te m s   o th er   p r o m is i n g   s o lu tio n s ,   a n d   h av e   s h o w n   t h eir   p r ac ticalit y   i n   f au lt  d etec tio n   an d   d iag n o s is   p r o ce s s e s   i n   m an y   o f   ar ea s .   Fo r   in s tan ce ,   r esear ch   s t u d y   h a s   i m p le m en ted   t h en v e lo p an al y s i s   alg o r ith m   f o r   w ir eles s   b ea r in g   h ea l th   m o n ito r i n g   b ased   o n   v ib r atio n   s ig n al s   m ea s u r e m e n t ,   h o w e v er ,   to   o v er co m th li m it atio n s   o f   m e m o r y   s ize  a n d   r estri cted   co m p u tatio n al   ca p ab ilit ies  i n   t h co m m er cial l y   a v ailab le  w ir eless   n o d es,  th au t h o r s   h av e   u s ed   3 2 - b it   m icr o co n tr o ller   t y p e   T M4 C 1 2 3 3 H6 P f r o m   T ex as   I n s tr u m e n ts   alo n g   w i th   Z i g b e w ir eles s   m o d u le.     I n   th is   r esear ch ,   t h co n ce p an d   d esig n   s tep s   o f   th p r o p o s e d   w ir eless   s y s te m   ar p r o v id ed   f ir s t.  T h e   co m p o n e n t s   s elec t io n ,   e m b ed d ed   s y s te m   co n s tr u ctio n   an d   i n s tal latio n   o n   th r o b o w ith   p r eli m in ar y   s y s te m   test i n g   ar th e n   d is c u s s ed .   Af t er   th at,   th p r in cip le  o f   S C C   a n d   h o w   i ca n   b i m p le m en te d   in   f au lt  d etec tio n   is   d elib er ated .   B ased   o n   th ex tr ac ted   f ea tu r f r o m   t h r o b o t v ib r atio n   a n   ap p r o p r iate  co n tr o l c h ar t is d esi g n ed   an d   i m p le m e n ted   o n   t h d esi g n ed   w ir ele s s   s y s te m .   L a s tl y ,   th p er f o r m a n ce   o f   t h d esi g n ed   s y s te m   is   t h e n   in v e s ti g ated .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Wir ele s s   F a u lt De tectio n   S ystem  fo r   a n   I n d u s tr ia l R o b o t B a s ed   o n   S ta tis tica ....   ( A la a   A b d u lh a d Ja b er)   3423   2.   DE S I G O F   T H E   S E NSO R   NO DE   T h s en s o r   n o d e,   as  d ep icted   in   Fi g u r 1 ,   is   a n   e m b ed d ed   s y s te m   u s u all y   o u t f it t ed   w it h   a   m icr o co n tr o ller   u n i ( MCU)   ( o r   d ig ital  s ig n al  p r o ce s s o r   ( DSP ) ) ,   r a d io   f r eq u en c y   ( R F)   tr an s ce iv er ,   p o w er   s u p p l y ,   a n d   m e m o r y   a l o n g   w i th   v ar io u s   s e n s o r s   a n d   ac tu ato r   d ep en d in g   o n   t h ap p licatio n .   T h e   m icr o co n tr o ller   w i th   m e m o r y   to   s to r th d ata  ac ts   as  th ce n tr al  co m p u t in g   an d   co n tr o llin g   d ev ice  o f   t h s en s o r   n o d e.   T h r ad io   tr an s ce iv er   m o d u le,   w h ic h   al lo w s   t w o - w a y   r ad io   co m m u n ic ati o n   b et w ee n   s e v er al   n o d es  i n   o r d er   to   d is tr ib u te  t h in f o r m atio n ,   r ep r esen t s   t h c o m m u n icatio n   s u b s y s te m   o f   t h n o d e.   T h p o w er   s u p p l y   s u b s y s te m   i s   in   c h ar g o f   p o w er in g   th w h o le  s e n s o r   n o d e,   an d   is   n o r m a ll y   co m p o s ed   o f   b atter ies,  w h ic h   o f f er   a n   ea s il y   av a ilab l e,   lo w   co s t,  an d   h i g h   ca p ac it y   s o u r ce   o f   p o w er ,   an d   h a v b ec o m co m p an io n   w it h   s e n s o r   n o d es.  I n   th i s   w o r k ,   o n e   n o d w i ll  b f i x ed   o n   t h r o b o ar m   a n d   w i ll  b i n   c h ar g o f   p er f o r m i n g   th v ib r atio n   s i g n als  ca p t u r in g ,   co n d u ct io n   t h S C C   al g o r it h m   an d   t h en   s en d i n g   t h in f o r m atio n   to   t h b ase   s tatio n ,   w h ic h   is   co n n ec ted   to   P C   f o r   d ata  v is u aliza t io n   a n d   r o b o h ea lth   a s s e s s m e n t.  So ,   th n o d h as  to   b e   o f   lig h w ei g h a n d   s m a ll  s ize,   ea s il y   at tach ed   a n d   d o es  n o ad d   ex tr lo ad in g   o n   t h r o b o ar m .   T h n o d h as   to   b o f   r ea s o n ab le  p r ice  an d   ea s y   to   p r o d u ce ,   f o r   f u t u r ex p an s io n   o f   th e   w ir eles s   s y s t e m s .   I n   t h is   s ec tio n   th s elec tio n   o f   th e   ac ce ler o m eter ,   m icr o co n tr o ller ,   tr an s c eiv er   a n d   th e   p o w er   s u p p l y   s o u r ce   o f   t h n o d is   d is cu s s ed .   Ho w e v er ,   th p r o p o s ed   d esig n   m et h o d o lo g y   i s   n o li m ited   f o r   in d u s tr ial  r o b o ts   an d   co u ld   b e   u tili ze d   f o r   h ea lth   m o n ito r in g   o f   d if f er en m ac h in e s .             Fig u r 1 .   W ir eless   s en s o r   n o d h ar d w ar ar ch itec tu r [ 18 ]         2 . 1 .   Acc eler o m et er   Select io n   A cc eler o m eter s   ar elec tr o m e ch an ica d ev ices  t h at  co n v er th m ec h a n ical  s i g n a ls ,   s u ch   as   v ib r atio n   an d   f o r ce ,   to   elec tr ical  s ig n al s ,   an d   ar an   ex te n s i v el y   u s ed   f o r   f a u lt  d etec tio n   i n   m an y   m ac h in e s   b ec au s o f   th eir   ac c u r ac y ,   r o b u s t n es s   a n d   s en s iti v it y .   Select in g   a n   ap p r o p r iate  ac ce ler o m eter   a n d   th e   w a y   i is   m o u n te d   o n   m ac h i n ar s ig n if ican t   f ac to r s   in   d eter m in in g   th s u cc e s s   o f   an y   co n d itio n   m o n it o r in g   p r o g r am .   Mislead in g   d ata   ca n   b p r o d u ce d   if   a n   u n s u itab le  ac ce ler o m eter   is   s elec ted   f o r   th e   m ac h i n u n d er   s t u d y   o r   an   ap p r o p r iate  o n is   m o u n ted   i n   an   in co r r ec lo ca tio n   o n   th m ac h in e.   T h m aj o r   p ar am ete r s   w h ic h   n ee d   to   b e   co n s id er ed   f o r   ac ce ler o m et e r   s elec tio n   ar [ 19 ] s en s iti v it y ,   r a n g e,   b an d w id t h ,   f r e q u en c y   r e s o lu tio n ,   r eliab ilit y ,   ac c u r a c y ,   o p er atio n   e n v ir o n m en t   a n d   co s t.  ME MS  ( Mic r o - elec tr o - m ec h a n ical - s en s o r s )   ac ce ler o m eter s   co m p ar ed   w i t h   th co n v e n tio n al  p iezo elec tr ic  ac ce ler o m e ter s ,   co n s u m le s s   p o w er ,   ar s m all   in   s ize,   lig h w ei g h t,  lo w   co s an d   ca n   ac h ie v g o o d   p er f o r m an ce   [ 20 ] .   C o n s eq u e n tl y ,   th e y   ar m o r s u itab le   f o r   w ir eless   s y s te m s   d esi g n ,   an d   w ill   b u s ed   h er e.   Ho w e v er ,   v ar iet y   o f   ME MS   ac ce ler o m eter s   ar co m m er ciall y   a v ailab le.   Af te r   tak i n g   th e   all - i m p o r ta n te ch n ica r eq u ir e m en ts   i n   t h co n s id er atio n ,   t h e   A D XL 0 0 1   ME MS  ac ce ler o m e ter   h as b ee n   ch o s en .   T h A DX L 0 0 1   is   ME MS  b ased ,   s in g le - ax i s   ac ce ler o m eter   d ev elo p ed   b y   A n alo g   Dev ices.  I t   p r o v id es  h ig h   p er f o r m a n ce ,   w id b an d w id t h   o f   2 2   k Hz,   a n d   is   s m all  i n   s ize.   T h A DX L 0 0 1   o p e r ates  o n   a   3 . 3 o r   5 s u p p ly ,   a n d   o u tp u t s   an   a n alo g u v o lta g e,   w h ich   allo w s   t h d ir ec co n n ec tio n   o f   t h ac ce ler o m eter   o u tp u to   th a n alo g u i n p u p in s   o n   d ata  ac q u is itio n   d ev ic ( DA Q)   o r   m icr o co n tr o ller .   T h ac ce ler o m eter   is   a v ailab le  i n   3   f u ll - s ca le   d y n a m ic  r an g es   o f   ± 7 0 ,   ± 2 5 0 ,   an d   ± 5 0 0   g .   Fo r   th i s   w o r k   th ± 7 0   g   r an g w a s   d ee m ed   ap p r o p r iate.   Fu r th er m o r e,   u s in g   j u s o n ac ce le r o m eter   f o r   r o b o h ea l th   m o n ito r in g   w a s   n o t   co n s id er ed   s u f f ic ien t,  s i n ce   wh en   t h r o b o is   p e r f o r m in g   g en er al  tas k   its   j o in t s   ar r o tatin g   ar o u n d   d if f er e n t   ax es,  t h er ef o r e,   th ac ce ler o m eter   m a y   b m o r s e n s iti v to   s p ec if ic  j o in ts   th a n   o th er s   y iel d in g   t h m o n i to r in g   s y s te m   u n r eliab le.   Fo r   t h is   r e aso n ,   it  w a s   d ec id ed   to   f i x   t h r ee   A DX L 0 0 1   ac ce ler o m ete r s   in   a n   o r th o g o n al   co n f i g u r atio n   to   m ea s u r t h v ib r atio n   in   X,   Y,   an d   Z   d ir ec tio n s   u s in g   a   p u r p o s d esi g n ed   alu m i n u m   ad ap ter ,   as  s h o w n   in   Fi g u r 2 .   T o   f ix   th is   ad ap ter   co r r ec tly   o n   th e   r o b o f o r   ac cu r ate  p ick - u p   o f   v ib r atio n   s ig n als ,   ad h esi v m o u n t in g   u s i n g   s u p e r g lu w a s   ad o p ted   h e r e.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 7   :   3 4 2 1     3 4 3 5   3424       Fig u r 2 .   Desig n ed   3   ax is   ac ce ler o m e ter   ad ap ter       2 . 2 .   M icr o co ntr o ller  Select io n   A   m icr o co n tr o ller   u n it  ( MC U)   is   p r o g r am m ab le  d ev ice   th at  co m b i n es  elec tr o n ic s   co m p o n en ts ,   in cl u d ce n tr al  p r o ce s s in g   u n it  ( C P U) ,   m e m o r y   a n d   p er ip h er al  d ev ices,  in teg r ated   in to   s in g le  c h ip   [ 21 ] A r d u i n o   o f f er   s e v er al  m icr o c o n tr o ller   m o d els  w it h   d if f er e n ch ar ac ter i s tics .   T h m ai n   d if f er e n ce s   b et w ee n   th ese  m o d el s   ar th t y p o f   p r o ce s s o r ,   th n u m b er   o f   i n p u t s   an d   o u tp u ts   p o r ts ,   an d   th ca p ac it y   o f   m e m o r y .   A r d u i n o   co n tr o ller s   ar r elat i v el y   e f f icien t,  co n s u m e   les s   p o w er ,   ch ea p ,   a n d   s u itab le   f o r   u s in   h ar s h   en v ir o n m e n [ 22 ] .   T o   r e d u ce   th n u m b er   o f   a v ailab le  A r d u in o   o p tio n s   it  w as  d ec id ed   t o   lo o k   at  A r d u i n o   b o ar d s   th at  h av h i g h   s p ec if ic atio n   an d   m ee th d es ir ed   r eq u ir e m e n t s ,   s u c h   as  DUE   an d   I n tel  Gali leo ,   w h ic h   is   n e w   b o ar d   d esig n ed   to   b co m p atib le  w it h   A r d u i n o   h ar d w ar e   a n d   s o f t w ar a n d   is   b ased   o n   I n tel   ar ch itect u r e.   T h I n tel  Galileo   b o a r d   w as  t h o r o u g h l y   te s ted ,   b u d esp ite  th h i g h   f u n ct io n alit y   it  w as   estab lis h ed   th a t t h s ig n al   ca p tu r in g   p r o ce s s   tak e s   v er y   lo n g   t i m i n   o r d er   to   ca p tu r 4 0 9 6   s a m p les,  a s   it   is   th e   d ef au lt  n u m b er   o f   s a m p les,  f r o m   o n an alo g u i n p u ch a n n el;  as  r esu lt,  w as  r ej ec ted .   T h A r d u in o   DUE   b o ar d   w a s   tes ted   an d   f o u n d   to   b m o r th a n   ca p ab le  f o r   th i s   w o r k   in   ter m s   o f   s i g n a ca p tu r in g   s p ee d ,   p r o ce s s in g   s p ee d ,   m e m o r y   s iz e,   p o w er   co n s u m p tio n   a n d ,   o f   co u r s e,   co s t.  T h A r d u in o   D UE   ( Fig u r 3 )   is   an   o p en - s o u r ce ,   s in g le - b o ar d   m i cr o co n tr o ller   b ased   o n   3 2 - b it,  R I SC ,   A t m el   S A M3 X8 E   AR C o r tex - M3   p r o ce s s o r .   I o f f er s   r elati v el y   s m all  s ize  f o r m ,   m ea s u r i n g   1 0 1 . 6   m m   x   5 3 . 3   m m ,   an d   co m p atib ilit y   w it h   m o s t   o f   th s tan d ar d   A r d u in o   s h iel d s .   T h A r d u in o   DUE   b o ar d   h as  a n   8 4   MH clo ck   f r eq u e n c y ,   USB   co n n ec tio n ,   f o u r   U A R T s   ( Un i v er s al  as y n c h r o n o u s   r ec eiv er /tra n s m itter )   s er ial  p o r ts ,   p o w er   j ac k ,   r eset  b u tto n ,   an d   an   er ase  b u tto n .   T h er is   a   1 2 - b i r eso lu t io n   a n alo g u to   d ig i t al  co n v er to r   ( A D C )   b u ilt  i n   i n s id t h e   p r o ce s s o r   w it h   1   MSP ( m e g s a m p les  p er   s ec o n d )   s am p li n g   f r eq u e n c y   an d   1 2   in p u ch a n n el s .   T h b o ar d   co m es  w it h   5 1 2   KB   f lash   m e m o r y ,   a n d   9 6   KB   o f   SR A M.   W h ils o th er   A r d u in o   b o ar d s   ac ce p u p   to   5 o n   I /O  p in s ,   th e   A r d u i n o   D u b o ar d   is   b ased   o n   3 . 3 o n   th e   I /O  p i n s ,   f o r t u n atel y ,   t h s elec ted   ac ce ler o m e ter   ca n   w o r k   u s i n g   3 . 3 o r   5 w h ic h   m ak e s   t h co n n ec tio n   o f   th ac ce ler o m et er   to   th b o ar d   d o es  n o r eq u i r an y   co n d itio n i n g   cir cu it.            Fig u r 3 .   A r d u i n o   DUE   m icr o co n tr o ller   b o ar d   [ h ttp s :// www . ar d u in o . cc ]       2 . 3 .   Wirele s s   T ec h no lo g y   Select io   C o m m u n ica tio n   d ev ices  ar u s ed   to   ex c h a n g d ata  b et w e en   t h n o d es  o f   w ir eles s   n e t w o r k s .   T h ad v an ce s   in   w ir e less   ap p licati o n s   h a v led   co m p a n ies  to   d ev elo p   d if f er en t y p es  o f   w ir el ess   s ta n d ar d .   T h ese  s tan d ar d s   ar u s u all y   c lass i f ied   b y   th eir   ca p ab ilit ies  a n d   p r o p er ties ,   an d   d esig n ed   to   s u it  d if f er en t   ap p licatio n s ,   s u c h   as  f au l d etec tio n   o r   h u m an   h ea lt h   m o n it o r in g .   I n   th is   s ec t io n ,   th r ee   wid el y   u s ed   w ir ele s s   n et w o r k   tech n o lo g ie s   ar d i s cu s s ed ,   in   o r d er   to   in v esti g a te  th e ir   p r o s   an d   co n s   an d   also   to   s e lect  t h e   ap p r o p r iate  tech n o lo g y   f o r   th e   w o r k   h er e.   T h ese  tech n o lo g ie s   ar [ 23 ] , [ 24 ] .   T h I E E E 8 0 2 . 1 1 x   f a m i l y   o f   s tan d ar d s   is   m ea n f o r   w ir eless   lo ca ar ea   n et w o r k   ( W L A N) ,   w h ic h   is   also   k n o w n   as  W ir ele s s   Fid el it y   ( W i - Fi).   T h er ar f o u r   g e n er atio n s   o f   W i - F p r o d u cts  a v ailab le  w h ic h   ar e   I E E E   8 0 2 . 1 1 a/ b /g /n ,   o p er ate  in   h ig h   f r eq u en c y ,   u n lice n s e d   I n d u s tr ial,   Sc ien ti f ic,   a n d   Me d ical  ( I SM)   r ad io   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Wir ele s s   F a u lt De tectio n   S ystem  fo r   a n   I n d u s tr ia l R o b o t B a s ed   o n   S ta tis tica ....   ( A la a   A b d u lh a d Ja b er)   3425   b an d s   r an g in g   f r o m   2 . 4   GHz   to   5   GHz .   T y p icall y ,   it  is   ad a p ted   f o r   r elativ el y   h i g h   b an d w id t h   an d   h ig h   d ata   tr an s f er   r ate,   r an g e s   f r o m   as  l o w   as  1   MB P ( m e g ab y te  p er   s ec o n d )   to   o v er   5 0   MBP S,  an d   co m m o n l y   u s ed   f o r   m o b ile  co m p u ti n g   d ev ices,   s u c h   as  lap to p s .   W ith   th u s o f   s tan d ar d   an te n n t h tr an s m is s io n   r a n g ca n   b u p   to   3 0 0   f ee t,  an d   it  ca n   b s ig n i f ican t l y   i m p r o v ed   b y   u t ilizin g   d ir ec tio n al  h i g h   g ai n   an ten n a.   A lt h o u g h   th d ata  tr a n s m is s io n   an d   r ate  r an g e s   ar e n o u g h   f o r   w ir ele s s   s en s o r   n et w o r k   ap p licatio n ,   t h p o w er   r eq u ir e m en g en er all y   li m ited   its   u s ag e   i n   w ir ele s s   s e n s o r   ap p licatio n .   B lu eto o th   ( I E E E 8 0 2 . 1 5 . 1 )   is   an o t h er   s tan d ar d   th at  h a s   lo w er   p o w er   th a n   I E E E 8 0 2 . 1 1 ,   an   o p er ati n g   f r eq u e n c y   2 . 4   GHz   w it h i n   th I SM  b a n d ,   an d   r ep r esen ts   p er s o n al  ar ea   n etw o r k   ( P A N)   s ta n d ar d .   I is   s p ec if icall y   ai m ed   to   s er v ap p li ca tio n s   th a r eq u ir e   s h o r r a n g e   co m m u n icatio n ,   s u c h   a s   d ata  tr an s f er   b et w ee n   co m p u ter s   an d   o th er   p er ip h er al  d ev ices  lik e   k e y b o ar d s   o r   ce ll   p h o n e   to   r ep lace   w ir co n n ec ti v it y .   B lu eto o th   s u p p o r ts   s tar   n et w o r k   to p o lo g y ,   an d   ca n   en ab le  u p   to   s ev e n   r e m o te   n o d es  to   co m m u n icate   w it h   s i n g le  b ase  s tatio n .   Ho w ev er ,   i n   ad d itio n   to   its   s h o r t   r an g ap p licatio n   an d   s ca lab i lit y   p r o b lem   ( lo w   n u m b er   o f   n o d es  p er   n et w o r k ) ,   th o th er   d is ad v an tag e s   o f   B lu eto o th   ar h ig h   p o w er   co n s u m p tio n   a n d   n o d es  th at  n ee d   lo n g   ti m to   b s y n c h r o n ize d   w it h   th n e t w o r k   w h e n   r etu r n i n g   f r o m   s leep   m o d e,   an d   w h ich   i n cr ea s es t h a v er ag s y s te m   p o w er .   T h I E E E 8 0 2 . 1 5 . 4   s tan d ar d   w as  d esig n ed   f o r   lo w   d ata  r ate  tr an s m is s io n s ,   lo w   co s t,  an d   lo w   p o w er   co n s u m p tio n   w ir ele s s   p er s o n a ar ea   n e t w o r k s   ( W P A N) .   I n   t er m s   o f   co m m u n icatio n   r an g e ,   th i s   s tan d ar d   ca n   b co n s id er ed   as  a   m id d le  g r o u n d   s o lu tio n   b et w ee n   I E E 8 0 2 . 1 1   ( W i - Fi)  an d   I E E E 8 0 2 . 1 5 . 1   ( B lu eto o th ) ,   an d   s u p p o r ts   m u l tip le  tr an s m is s io n   f r eq u en c ies,  m u ltip le  d ata  r ates,  an d   t w o   to p o lo g ies,  s tar   an d   p o in t - to - p o in t   ( p air   to p o lo g y ) ,   w h ic h   m ak e s   it  f lex ib le  s ta n d ar d .     I o p er ates  in   th u n licen s ed   I SM  b an d s   at  8 6 8   MH in   E u r o p e,   9 1 5   MH in   th US A   an d   2 . 4   GHz   w o r ld w id e,   w it h   d ata  r ates 2 0   Kb p s   ( k ilo   b it p e r   s ec o n d ) ,   4 0   Kb p s   an d   2 5 0   Kb p s ,   r esp ec tiv el y .   Z ig B ee   is   s tan d ar d   d esig n ed   b y   th Z i g B ee   A llia n ce ,   w h ich   is   an   ass o ciat io n   o f   co m p a n ies   w o r k i n g   to g e th er   to   en ab le  r eliab le,   co s t - e f f ec t iv e,   a n d   lo w - p o w er   w ir ele s s   n et w o r k   [ 25 ] .   I is   b ased   o n   I E E E 8 0 2 . 1 5 . 4   s tan d ar d   w h ich   m ea n s   t h at   Z ig B ee   ca n   tak e   f u l ad v a n ta g o f   t h i s   s tan d ar d .   I n   ad d itio n ,   it  ca n   ac co m m o d at m u lt ip le  n et w o r k s   to p o lo g ies   lik s tar ,   p o in t - to - p o in t,  an d   m es h   n et w o r k s .     A l s o ,   Z ig B ee   n et w o r k   ca n   h av e   at  m o s 6 5 0 0 0   n o d es,  m ak in g   it  v er y   s ca lab le  s tan d ar d .   B ec au s o f   t h e   af o r e m e n tio n ed   f ea tu r e s ,   th e   Z i g B ee   s tan d ar d   h a s   b ee n   ad o p ted   in   m a n y   w ir ele s s   s e n s o r   n e t w o r k   ap p licatio n s ,   an d   w ill  b th e   b est  ca n d id ate  f o r   th w o r k   d escr ib ed   in   th is   th e s is .   A d d itio n all y ,   Z i g B ee   m o d u les ar n o w ad a y s   a v ailab le  in   th m ar k et  in   s m a ll si ze   w it h   v er y   a f f o r d ab le  p r ices.     2 . 4 .   Z ig B ee   M o du le  Select io   T h er ar e   m a n y   p ar a m eter s   n ee d   to   b e   co n s id er ed   w h en   s elec tin g   Z i g B ee   m o d u le.   F r o m   t h ese   p ar am eter s   ar p o w er   co n s u m p tio n ,   o p er atin g   f r eq u e n c y ,   f l ex ib ilit y ,   co v er a g r an g e,   t h m o d u le  a n d   te s tin g   co s ts ,   a n d   th e   co m p atib ili t y   w it h   t h m icr o co n tr o ller   u n i t.  Ho w e v er ,   m a n y   ce r ti f ied   s e m ico n d u cto r   co m p a n i es,   s u ch   as   T ex as  I n s tr u m e n t s ,   Fre e s ca l,  Di g I n ter n atio n al,   ar p r o v id in g   s u cc ess f u l   d esi g n   f o r   Z i g B ee   p r o d u cts.    Af ter   r ev i s i n g   th e   av ai lab le  p r o d u cts,  th e   XB ee   m o d u le  f r o m   Di g I n te r n atio n al  h a s   b ee n   s elec ted ,   as  it  m ee t s   th ab o v m en t io n ed   r eq u ir e m e n t s ,   i s   co m p atib le  w i th   t h s elec ted   A r d u i n o   b o ar d ,   an d   in cl u d es  o t h er   f ac to r ,   i.e .   p r ev io u s   s u cc es s f u e x p er ien ce ,   p o p u lar it y ,   an d   av ailab le   d ev elo p m e n t   r eso u r ce s .   XB ee   is   tr ad n a m f r o m   Dig i n ter n atio n al,   a n d   it  is   a   w ir ele s s   m o d u le  d esi g n ed   f o r   ap p lic atio n s   th at   r eq u ir r ed u ce d   d ata  co m m u n icatio n   w h ile  h a v in g   lo n g   r an g e   ca p ab ilit ies  w it h   les s   p o w er   co n s u m p tio n .   XB ee   m o d u le s   co m in   d if f e r en f o r m at s   f o r   d if f er e n k i n d s   o f   ap p licatio n .   T h er ar t w o   t y p es  o f   XB ee   m o d u les,  s er ies 1   ( s 1 )   an d   s er ies 2   ( s 2 ) .   A s   s h o w n   i n   T ab le  I ,   XB ee   s 2   co n s u m es s lig h tl y   le s s   p o w er   an d   h as a   b etter   r an g th a n   th s 1 .   T h XB ee   s 1   an d   s 2   ar p in - f o r - p i n   co m p atib le,   b u b ased   o n   d if f er en ch ip s ets  a n d   r u n n i n g   d i f f er en p r o to co ls .   T h s 1   m o d u le  u s e s   t h I E E E   8 0 2 . 1 5 . 4   s tan d ar d   p r o to co l,  w h ile  t h s 2   m o d u l e   r elies  o n   Z ig B ee   p r o to co l.  Fu r th er m o r e,   b o th   s er ies  co m i n   t w o   d i f f er en t   tr an s m is s io n   p o w er s ,   r eg u lar   a n d   P r o .   T h r eg u lar   v er s io n   is   s i m p l y   ca lled   XB ee ,   an d   i s   les s   ex p en s iv e   t h an   P r o   v er s io n t h P r o   v er s io n   u s es   m o r p o w er   a n d   is   s li g h t l y   lar g er   t h an   th r e g u lar   v e r s io n ,   b u t,  o n   t h o th er   h a n d ,   h as   lo n g er   co m m u n icatio n   r an g e.   T h X B ee   s 2   ( Fig u r 4 )   h a s   b ee n   s el ec ted   f o r   th is   r esear c h ,   as   it p r o v id es  g o o d   in - d o o r   r an g e,   g o o d   d ata  r ate,   lo w - e n er g y   co n s u m p tio n ,   b etter   r ec eiv er   s e n s iti v it y   a n d   it  s u p p o r ts   m es h   an d   tr ee   n et w o r k s .   T h is   m a k e s   th s y s te m   s ca lab le  an d   r eliab le  f o r   f u tu r d e v elo p m e n t.  XB ee   m o d u les  ca n   b e   attac h ed   to   DUE   u s i n g   w ir el ess   s h ield   ( Fi g u r 5 )   d esig n ed   f o r   ea s y   co n n ec tio n   to   th XB ee .     XB ee   m o d u les  m u s h a v a n   an ten n to   s en d   a n d   r ec eiv s ig n a ls ,   o f   w h ich   th er ar f o u r   d if f er e n t   t y p es  o f f er ed   o n   XB ee   s 2 ,   n a m el y   w h ip ,   ch ip ,   U. FL ,   a n d   R P SMA   [ 17 ] .   T h w ir ( o r   w h i p )   an d   ch ip   an ten n as   co m e   p r e - co n n ec ted   to   t h X B ee   m o d u les,  w h i le  t h U. F L   a n d   R P SM ar d er iv ati v es  o f   th e   co n n ec to r   t y p es,  o f f er i n g   c h ip   w it h   co n n ec to r s   o n   th b o ar d .   Ho w e v er ,   b ased   o n   p r eli m i n ar y   co m m u n icatio n   r a n g test s   [ 26 ]   w as  e s tab lis h   t h at  t h R P SM A   ( ex ter n al)   an te n n is   t h e   b est  o p tio n   in   t h is   r esear c h .   A l s o ,   in   W SN  m u s t   b th er is   n o d co n f i g u r ed   to   w o r k   as  co o r d in ato r   ( o r   b ase  s tatio n )   [ 17 ]   an d   th o th er s   as  s e n s o r   n o d es.  T h co o r d in ato r   r ep r esen ts   t h n e t w o r k   co n tr o ller   a n d   is   r esp o n s ib le  f o r   s e tti n g   u p   a n d   m ai n tai n i n g   th e   n et w o r k ,   w h ic h   s h o u ld   b co n n ec ted   to   r eliab le,   u n i n ter r u p ted   p o w er   s o u r ce ,   an d   r eq u ir es  to   b in ter f ac ed   to   P C   f o r   f u r th er   d ata  p r o ce s s in g   an d   v i s u al izatio n .     I n   o r d er   to   allo w   th tr an s ce i v er   m o d u les  o n   th s e n s o r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 7   :   3 4 2 1     3 4 3 5   3426   n o d an d   b ase  s tatio n   to   tal k   to   ea ch   o th er ,   th e y   h av to   b co r r ec tly   co n f ig u r ed   in d i v i d u all y ,   b y   u tili z in g   s p ec if ic  s o f t w ar e,   b ef o r u s i n g   th e m   i n   n et w o r k .   T h co n f i g u r atio n   i n cl u d es  v ar io u s   asp ec ts   s u c h   as   class i f icatio n   o f   t h n o d ( co o r d in ato r ,   r o u ter   o r   en d   d ev ice) ,   n et w o r k   I D,   d esti n atio n   ad d r ess   an d   s o   o n .   X - C T ( XB ee   c o n f ig u r atio n   an d   test in g   u til it y )   is   w i n d o w s - b ased   ap p licatio n   s o f t w ar d ev elo p ed   b y   Di g an d   r ep r esen ts   t h o f f icial  co n f i g u r atio n   s o f t w ar f o r   XB ee   m o d u les  [ 17 ] Ma n y   v er s io n s   o f   f ir m w ar ca n   b e   s elec ted   an d   w r i tten   i n to   Z i g B ee   m o d u le  v ia  R S2 3 2   o r   USB   p o r t,  d ep en d in g   o n   t h u s ed   in ter f ac b o ar d .   Fo r   th is   p u r p o s e,   th XB I B - U - DE d ev elo p m en t k it  f r o m   Di g i I n ter n atio n al  w a s   e m p lo y ed   [ 26 ] .       T ab le  1 .   C o m p ar is o n   b et w ee n   XB ee   s 2   an d   s 2   S p e c i f i c a t i o n s   X B e e   s1   X B e e   s2   I n d o o r   r a n g e   ( m)   30   40   O u t d o o r   r a n g e   ( m)   1 0 0   1 2 0   F r e q u e n c y   b a n d   ( G H z )   2 . 4   2 . 4   T r a n smit   p o w e r   ( m W )   1   2   S u p p l y   v o l t a g e   ( V )   2 . 8 - 3 . 4   2 . 8 - 3 . 6   D a t a   r a t e   ( K b p s)   ( k i l o   b i t   p e r   se c o n d   2 5 0   2 5 0   T r a n smit   c u r r e n t   ( mA )   45   40   R e c e i v e   c u r r e n t   ( mA )   50   40   R e c e i v e r   se n si t i v i t y   ( d b m)   - 92   - 96           Fig u r   4 .   XB ee   m o d u le  a n d   th e   w ir eles s   s h ield   f o r   A r d u i n o   [ h ttp s :// www . s p ar k f u n . co m h ttp s :/ / www . ar d u i n o . cc ]       2 . 5 .   P o w er   So urce   Select io n   R ec h ar g ea b le  b atter ies  ar co m m o n l y   e m p lo y ed   as   p o w e r   s o u r ce   f o r   th w ir eles s   s e n s o r   n o d es.  Sev er al  ch ar ac ter is tics   s h o u ld   b co n s id er ed   w h e n   ch o o s i n g   b atter y   f o r   w ir eless   s e n s o r   n o d e.   T h m o s t   i m p o r tan o f   t h ese  attr ib u tes  ar en er g y   d en s it y ,   c h ar g e/d i s ch ar g c y cle,   s ize,   s e lf - d is c h ar g r ate  an d   co s t.   T h er is   n o   an y   b atter y   tech n o lo g y   t h at  m ee ts   al th e s cr iter ia,   s o   co m p r o m i s m u s b m ad e.   E ac h   b atter y   t y p h a s   it s   ad v a n ta g es   an d   d is ad v an ta g es   w it h   w ir eles s   s e n s o r   n o d e.   T h m o s co m m o n   r ec h ar g ea b le   b atter ies  t y p es  ar e:  lead   ac id ,   n ick el - ca d m iu m   ( Ni - C d ) ,   n ic k el - m e tal  h y d r id ( Ni - Mh ) ,   li th i u m - io n   ( L i - I o n ) ,   an d   lit h i u m - io n   p o l y m er   ( L i - P o ) .   T h co m p ar is o n   o f   t h d if f er en t   t y p e s   o f   b atter ies   ca n   b s ee n   i n   T ab le  I I   [ 27 ] .   L ith i u m - b ased   b atter ie s   ar tech n icall y   m o r ad v an ce d ,   m o s w id el y   u s ed   a n d   f ast est  g r o w i n g   e n er g y   s o u r ce s .   C o m p ar i n g   to   th o th er   th r ee   b atter y   t y p e s ,   L i - I o n   an d   L i - P o   h av h i g h er   s p ec if ic  en er g y   d en s itie s   an d   o f f er   lo w er   s el f - d is ch ar g r ate  th a n   b o th   Ni - C d   an d   Ni - M h ,   w it h   o n l y   lead   ac id   h av in g   lo w er   r ate.   L it h i u m - P o   b atter ies  ar s i m ilar   to   L it h iu m - I o n   h o w e v er   w it h   d if f er e n t y p o f   el ec tr o ly te  u s ed ,   an d   f u r t h er m o r o f f er   th ad v a n ta g o f   b ein g   v er y   th i n   a n d   lig h t   w ei g h t,  th u s   allo w i n g   th e m   t o   b ea s ily   i n cl u d ed   in   s e n s o r   n o d es  w h ile  o cc u p y i n g   v er y   litt le  s p ac e.   I n   th i s   r e g ar d ,   T u r n ig y   L i - P o   b atter y   ( Fig u r 5 )   h as  b ee n   c h o s en   as  a   p o w er   s o u r ce   f o r   th w ir eles s   n o d e.   T h b atter y   h as  a n   e n er g y   ca p ac it y   at   7 . 4   V/1 0 0 0   m Ah   ( 1   h o u r   co n t in u o u s l y   w o r k i n g   at  7 . 4   w it h   1   A   d is c h ar g cu r r en t)   w it h   w ei g h 6 2   g   a n d   s ize   7 4   x   3 5   x   1 3   m m ,   w h ic h   ca n   f it e asi l y   i n   t h n o d en clo s u r as  s h o w n   later .       T ab le  2 .   C o m p ar is o n   Am o n g   R ec h ar g ea b le  B atter ies   S p e c i f i c a t i o n s   L e a d   A c i d   N i c k e l - C a d mi u m   N i c k e l - M e t a l   h y d r i d e   L i t h i u m - I o n   L i t h i u m - I o n   p o l y me r   En e r g y   d e n si t y   ( W h / k g )   30 - 50   45 - 80   60 - 1 2 0   1 1 0 - 160   1 0 0 - 130   C h a r g e / D i sch a r g e   c y c l e   2 0 0 - 300   1 5 0 0   3 0 0 - 500   5 0 0 - 1 0 0 0   3 0 0 - 500   S e l f - d i sc h a r g e / M o n t h   5%   2 0 %   3 0 %   1 0 %   ~ 1 0 %       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Wir ele s s   F a u lt De tectio n   S ystem  fo r   a n   I n d u s tr ia l R o b o t B a s ed   o n   S ta tis tica ....   ( A la a   A b d u lh a d Ja b er)   3427       Fig u r 5 .   L it h iu m - I o n   p o l y m e r   ( L i - P o )   b atter y       3.   SYST E M   SE T - U P   T o   p r o tect  th w ir eles s   n o d an d   b ase  s tatio n   f r o m   d u s an d   o th er   co n ta m i n an t s ,   e n clo s u r es  h a v t o   b u s ed .   Av ailab le  e n clo s u r f o r   th A r d u i n o   DUE   is   d esi g n ed   to   en clo s e   j u s t h b o ar d s   w ith o u t h o t h er   co n n ec ted   p er ip h er als  s u c h   as   th s e n s o r s ,   b atter y ,   XB ee   s h ield   an d   t h an te n n a;  th u s ,   i w a s   n ec e s s ar y   to   lo o k   f o r   alter n ati v es.  Me tal  o r   p last ic  b o x es  ar co m m o n l y   u s ed   f o r   cr ea tin g   c u s to m - b u ilt  en c lo s u r es  f o r   e m b ed d ed   eq u ip m e n t.  Fo r   th is   p u r p o s e,   tw o   p last ic  b o x es  o f   s ize  1 7 9   x   8 6   x   5 1   m m ,   f o r   th s en s o r   n o d an d   b ase  s tatio n   w er p u r ch ased   a n d   m o d i f ied .   B o lts   w er u s ed   to   f i x   t h A r d u in o   m icr o co n tr o ller s   to   th e   b o x es .   S m all  r ec ta n g le  an d   cir cu lar   cu ts   w er m ad o n   th b ase  an d   r ig h s id o f   th s en s o r   n o d b o x ,   to   allo w   attac h i n g   th s en s o r s   ad ap ter   to   th r o b o u s in g   s u p er   g l u e,   an d   th an ten n a,   v ia  th w ir ele s s   s h ield ,   a n d   p o w er   s u p p l y   p o r t,  f r o m   t h e   b atter y ,   to   t h m icr o co n tr o ller .     A   d o u b le   s id ed   ad h e s iv e   ta p at  th e   b o tto m   o f   th b atter y   w a s   u ti lized   to   af f i x   it  o n   th b o x .   T h b ase  s tatio n   s h o u ld   b lo ca ted   n ex t   to   a   h o s P C ,   f o r   r ep o r tin g   t h a n al y s is   r es u lts   an d   al s o   to   p er m it  co n tr o o f   t h e n tire   m o n i to r in g   s y s te m   t h r o u g h   t h u s er   in ter f ac e.   T h s e n s o r   n o d w as  attac h ed   to   th r o b o u s i n g   t w o   ca b le  ties .   T h s en s o r   n o d alo n g   w ith   t h e   f i n al  e x p e r i m e n tal  s et - u p   is   d ep icted   in   F ig u r 6 .   P r io r   to   d ep lo y i n g   t h d esi g n ed   s y s te m   f o r   r o b o co n d itio n   m o n ito r i n g ,   s y s te m   ac cu r ac y   w a s   test ed   a n d   v alid ated .   Ho w e v er ,   in   t h i s   r esear ch   t h e x p er im e n tal  w o r k   h a s   b ee n   p er f o r m ed   u s in g   th P UM A   5 6 0 ,   w h ic h   is   P C - c o n tr o lled   s er ial  m a n ip u la to r   w it h   s ix   r ev o l u te   j o in ts /d eg r ee s   o f   f r ee d o m   ( DO F).     T h test in g   w a s   p er f o r m ed   b y   s etti n g   u p   th s y s te m   f o r   r ea l - ti m r o b o v ib r atio n   an al y s is   an d   th e   ca p tu r ed   s ig n als  w er co m p ar ed   w ith   t h eir   p ee r   th at  w e r ac q u ir ed   u s in g   NI   6 0 0 9   DAQ  d ev ice  ( f r o m   Natio n al  I n s tr u m e n ts ) .   Si g n i f i ca n d if f er en ce s   b et w ee n   s ig n als  ar n o p r ef er r ed ,   as  it  co u ld   lead   to   in cr ea s e   r ate  o f   f alse  f a u lt  d etec tio n .   T h r esu lt  o f   th h ea l th y   s i g n als  co m p ar is o n s   f o r   ea ch   o f   th th r ee   ax es  o f   m ea s u r e m e n t s   is   p r esen ted   i n   th F ig u r 7 .   Si g n al s   f r o m   b o th   NI   D A a n d   t h s e n s o r   n o d ar co m p ar ed   w it h   t h r o b o t e x ec u ti n g   a   p ick   an d   p lace   ta s k ,   u s in g   t h s a m s a m p li n g   f r eq u en c y   ( 3 8 3   Hz) ; th t i m e - d o m ai n   s ig n al s   ar ass o ciate d   w ith   t h eir   p r o b ab ilit y   d is tr ib u t io n s .   I t   c an   b s ee n   th at  th w ir eless   s y s te m   s i g n a ls   ar id en tical  w it h   NI   D A s i g n als,  an d   n o r m all y   d is tr ib u ted .   I ca n   b o b s er v ed   th at  th s ig n als  f r o m   th e   d esig n ed   s y s te m   ar h a v i n g   s lig h tl y   h ig h er   a m p l itu d es,  a ls o   th o th er   s tatis tical  f ea tu r e s ,   i.e .   th s tan d ar d   d ev iatio n   ( ST D) ,   r o o m ea n   s q u ar ( R MS)   an d   m ax i m u m   an d   m i n i m u m   a m p lit u d es,  as  s h o w n   in   T ab le  I I I .   T h is   co u ld   b attr ib u ted   to   attac h in g   t h s e n s o r   n o d to   th r o b o s tr u ctu r e,   w h ic h   ca n n o b av o id ed ,   m a k in g   th s y s te m   ca p tu r i n g   e x tr v ib r atio n   f r o m   t h r o b o t,  w h ile  t h i s   is   n o t h ca s e   wh en   th NI   D A Q.   Nev er th e less ,   it  w a s   co n cl u d e d   th at  t h s i g n al s   ca p t u r ed   u s i n g   th e   A r d u i n o   DUE   b o ar d   h av v er y   r ea s o n ab le  ac cu r ac y ,   an d   t h u s   it  is   e x p ec ted   th at  b y   e m p lo y in g   th e   DUE   b o ar d   th d esire d   cr e d ib ilit y   lev e o f   th e   d esig n ed   r o b o t h ea lth   m o n ito r in g   s y s te m   ca n   b ac h ie v ed .           Fig u r 6 .   W ir eless   s en s o r   n o d h ar d w ar an d   t h ex p er i m en tal  s et - up       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 7   :   3 4 2 1     3 4 3 5   3428              a)   Sig n al s   f r o m   t h NI   D A         b )   Sig n als  f r o m   A r d u i n o   DUE     Fig u r 7 .   T im e - d o m ain   s ig n al s   f r o m   t h X,   an d   Z   ac ce ler o m e ter s   ca p tu r ed   u s in g   NI   6 0 0 9   DA an d   A r d u i n o   DUE   b o ar d       T ab le  3 .   Statis tical  Feat u r es E x tr ac ted   f r o m   T i m e - Do m ai n   S ig n a ls   C ap t u r ed   Usi n g   NI   6 0 0 9   DA a n d   A r d u i n o   DUE   B o ar d   A x i s o f   me a su r e me n t   U se d   si g n a l   a c q u i s i t i o n   sy st e m   S T D   ( g )   R M S   ( g )   M a x i m u m   ( g )   M i n i m u m   ( g )   X   N I   D A Q   0 . 6 2 6 1 3   0 . 6 2 6   3 . 1 8 3 8 7   - 2 . 5 0 7 2 9   A r d u i n o   D U E   0 . 6 6 3 6   0 . 6 6 4   3 . 5 5 3 0   - 2 . 5 3 7 8   Y   N I   D A Q   0 . 4 5 1 2 6   0 . 4 4 8   1 . 3 9 2 9 6   - 1 . 6 7 1 5 5   A r d u i n o   D U E   0 . 5 0 5 4 5   0 . 5 0 6   1 . 6 3 5 5 0   - 1 . 9 1 7 4 8   Z   N I   D A Q   0 . 5 2 0 5 4   0 . 5 2 1   1 . 7 9 0 9 0   - 2 . 3 0 8 2 7   A r d u i n o   D U E   0 . 5 7 7 5 2   0 . 5 7 8   1 . 5 2 2 7 1   - 2 . 4 2 5 0 5       4.   P RINCI P L E   O F   CO N T RO L   CH ART S   C o n tr o ch ar t s   ar s tati s tical   to o f o r   g r ap h icall y   d is p la y in g   q u a lity   ch ar ac ter is tic   p lo tted   ag ain s t   th s a m p le  n u m b er   ( o r   tim e)   w it h   ce n tr lin a n d   t w o   ( u p p er   an d   lo w er )   co n tr o li m its   [ 28 ] ,   as  illu s tr ated   in   Fig u r 8 .   C o n tr o c h ar ts   r ep r esen o n o f   th m o s t   i m p o r t an a n d   w id el y   ap p lied   m eth o d s   f o r   d etec tio n   o f   ab n o r m al  p r o ce s s   o p er atio n s   b ased   o n   p r o ce s s   v ar iab les  s u c h   as  d i m e n s io n s ,   te m p er a tu r e,   v ib r atio n   an d   f o r ce s   etc.   T h e y   p r o v id a   clea r   d if f er en tiatio n   b et w e en   ch an g e s   th at  ar r esu lt  o f   u n p r ed ictab le   d is tu r b an ce s   i n   t h s y s te m   a n d   ch an g es   t h at  o cc u r   a s   a   r esu l o f   a   s y s te m   f a u lt.  W h en   co n t r o ch ar ts   ar b ei n g   u s ed   f o r   h e alt h   m o n ito r in g   o f   an y   m ac h i n e,   d esp ite  h o w   w e l it  is   d esig n ed   an d   m ai n tai n e d ,   s o m a m o u n o f   in h er e n o r   n atu r al  v ar iab ilit y   w ill  al w a y s   b p r esen ted   [ 9 ] .   T h is   n at u r al  v ar iab ilit y ,   w h ich   is   u s u all y   r ef er en ce d   to   as  b ac k g r o u n d   n o is e,   is   th cu m u lati v e f f ec o f   m a n y   s m al an d   u n av o id ab l ca u s es.  Ho w e v er ,   f r o m   th e   s ta tis tica q u a lit y   co n tr o p o in t   o f   v ie w ,   s y s te m   th at   h as   th i s   n at u r al  v ar iab ili t y   i s   o f te n   ca lled   s tab le  s y s te m   an d   i n - co n tr o [ 9 ]   On   th o th er   h a n d ,   if   th v ar i ab ilit y   in   t h m o n ito r ed   p ar a m eter   is   lar g en o u g h   w h e n   c o m p ar ed   to   th b ac k g r o u n d   n o i s e,   th i s   is   s aid   d u to   ass ig n ab le  ca u s e s   an d   r ep r esen ts   an   u n ac ce p ta b le  lev el  o f   s y s te m   p er f o r m a n ce .   I n   th i s   ca s e,   th s o u r ce s   o f   v ar iab ilit y   ar n o p ar o f   th n atu r al  ca u s es  an d   co m m o n l y   e n titl ed   s p ec ia ca u s es s y s te m   t h at  i s   o p er atin g   in   t h p r esen ce   o f   s p ec ial  ca u s es  i s   s aid   to   b an   o u t - of - co n tr o l.  T h co n v e n tio n al  co n tr o l c h ar t is c o m p o s ed   o f   t h r ee   h o r izo n tal  li n es; a  ce n tr lin ( CL )   t h at  r ep r esen ts   t h a v er ag e   v alu o f   t h q u alit y   c h ar ac ter is tic  co r r esp o n d in g   to   th i n - c o n tr o s tate;  an d   t w o   o t h er   lin es  n a m ed   t h u p p er   co n tr o l li m it ( U C L )   an d   t h lo w er   co n tr o l li m it ( L C L )   ( Fi g u r 1 ) .   T h ese  co n tr o l li m it s   ar ch o s en   s o   th at  i f   t h e   p r o ce s s   is   i n - co n tr o l,  n ea r l y   al o f   t h s a m p le  p o in ts   w i ll  f all   b et w ee n   t h e m .   I is   co m m o n   p r ac tis to   co n n ec t   th s a m p le  p o in ts   o n   t h e   co n tr o ch ar w it h   s tr aig h t - li n s eg m e n t s   s i n ce   i is   ea s ier   to   v is u alize   h o w   t h e   s eq u en ce   o f   p o in ts   h as  e v o l v ed   o v er   ti m e.   Ho w ev er ,   ev e n   if   all  t h p o in t s   f al in s id th e   co n tr o li m it s ,   b u t   b eh av i n   s y s te m a tic  o r   n o n - r a n d o m   m a n n er ,   t h en   th i s   co u ld   b an   in d icat io n   t h at  t h p r o ce s s   is   o u o f   co n tr o l.  I f   th p r o ce s s   is   i n   co n tr o l,  all  th p lo tted   p o in ts   s h o u ld   h a v an   es s en tiall y   r an d o m   p atter n .       1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 4 3 2 1 0 - 1 - 2 - 3 - 4 T i m e   ( s e c ) A m p l i t u d e   ( g ) S c a t t e r p l o t   o f   l a b v i e w   x   v s   T i m e   ( s e c ) X - a x i s 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 4 3 2 1 0 - 1 - 2 - 3 - 4 T i m e   ( s e c ) A m p l i t u d e   ( g ) S c a t t e r p l o t   o f   a r d u i n o   x   v s   T i m e   ( s e c ) X - a x i s 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 2 1 0 - 1 - 2 T i m e   ( s e c ) A m p l i t u d e   ( g ) S c a t t e r p l o t   o f   L a b V i e w   Y   v s   T i m e   ( s e c ) Y - a x i s 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 2 1 0 - 1 - 2 T i m e   ( s e c ) A m p l i t u d e   ( g ) S c a t t e r p l o t   o f   A r d u i n o   Y   v s   T i m e   ( s e c ) Y - a x i s   1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 2 1 0 - 1 - 2 T i m e   ( s e c ) A m p l i t u d e   ( g ) S c a t t e r p l o t   o f   L a b V i e w   Z   v s   T i m e   ( s e c ) Z - a x i s 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 2 1 0 - 1 - 2 T i m e   ( s e c ) A m p l i t u d e   ( g ) S c a t t e r p l o t   o f   A r d i n u o   Z   v s   T i m e   ( s e c ) Z - a x i s Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Wir ele s s   F a u lt De tectio n   S ystem  fo r   a n   I n d u s tr ia l R o b o t B a s ed   o n   S ta tis tica ....   ( A la a   A b d u lh a d Ja b er)   3429       Fig u r 8 .     A   co n v en t io n al  co n t r o l c h ar [ 28 ]       4 . 1 .   Co ntr o l C ha rt   L i m it s   T h ch o ice  o f   co n tr o lim its   i s   o n o f   th cr itical  d ec is io n s   w h en   d esi g n in g   co n tr o ch ar t;  an d   is   co n n ec ted   w i th   t h r i s k   o f   f a u lt y   p r ed ictio n   o f   i n   o r   o u t   o f   c o n tr o l.  Fu n d a m en ta ll y ,   th er e   i s   clo s s i m ila r it y   b et w ee n   t h p r i n cip les  o f   co n tr o c h ar a n d   h y p o th e s is   tes tin g .   B y   ap p l y i n g   t h co n tr o l   ch ar tech n iq u e,   a   co n tin u o u s   h y p o t h esi s   test i n g   is   ca r r ied   o u th r o u g h   th p r o g r ess   o f   th p r o ce s s .   Fo r   n o r m al l y   d is tr ib u ted   p r o ce s s   th n u ll  h y p o t h esi s   ( H 0 )   is   th a th tr ea ted   s a m p le   m ea n   is   eq u al  to   th r ef er e n ce   ( h ea lth y )   p r o ce s s   m ea n ,   w h ile  th alter n ati v h y p o t h esi s   ( H 1 )   ass u m es  th a t   th tr ea ted   s am p le  m ea n   d o es  n o eq u al  to   th r ef er en ce   m ea n .   T h H 0   h y p o th esi s   r ef er s   to   t h at  th m o n ito r ed   p ar am eter   i s   in   g o o d   co n d itio n   an d   th e   p r o ce s s   s h o u ld   co n ti n u e,   w h er ea s   H 1   in d icate s   t h at  th er is   a   p r o b lem   a n d   ac tio n s   s h o u ld   b tak en .   Ho w ev er ,   t w o   t y p e s   o f   er r o r s   ca n   o cc u r   d u r in g   th f au lt  p r ed ictio n   p r o ce s s   u s i n g   co n tr o ch ar t s   ( o r   h y p o t h esi s   test in g ) ,   th ese  ar c alled   typ I   an d   typ I I   er r o r s   [ 9 28 ] .   T y p I   er r o r   is   ac cr u ed   w h e n   p o in f all s   o u ts id t h co n tr o li m it s ,   in d icat in g   a n   o u t - of - c o n tr o co n d itio n   w h en   t h er i s   n o   as s ig n ab le  ca u s p r esen ted   ( r e j ec th n u ll   h y p o t h esi s   H 0   w h en   it  i s   tr u e) .   W h er ea s   th e   t y p II   er r o r   r esu lts   if   p o in f alls   w it h i n   th e   co n tr o li m i ts   w h e n   th p r o ce s s   is   ac t u all y   o u o f   c o n tr o ( f ail  to   r ej ec th n u l h y p o t h esi s   H 0   w h e n   it  i s   f a ls e) .   T h er ef o r e,   th r is k   o f   t y p I   er r o r   is   d ec r ea s ed   b y   m o v i n g   t h co n tr o li m it s   f u r th er   f r o m   t h ce n tr li n e.   W id en in g   th co n tr o li m it s ,   h o w ev er ,   w ill  a ls o   i n cr ea s t h r is k   o f   t y p II   er r o r .   Ho w e v er ,   t h o p p o s ite  e f f ec o cc u r s   i f   t h e   co n tr o li m it s   ar s h if ted   clo s er   to   th ce n tr lin e.   T h g e n er al  m at h e m atica f o r m u latio n   f o r   co n t r o l c h ar t is      =   ( 1 )      = +   ( 2 )      =   ( 3 )     w h er is   s a m p le  s tati s tic   th at  m ea s u r es  s o m q u alit y   ch ar ac ter is tic  o f   i n ter est,  an d     an d     ar its   m ea n   an d   s ta n d ar d   d ev iatio n ,   r esp ec tiv el y ,   w h ile  r ep r esen ts   t h d is tan ce   o f   t h e   co n tr o l i m it s   f r o m   th e   CL ex p r ess ed   i n   s ta n d ar d   d ev iati o n   u n it s .   T h co m m o n   p r ac t ice  is   to   m a k t h U C L   a n d   LC L   eq u al  th r ee   s tan d ar d   d ev iatio n s   ( t h r ee - s ig m a)   f r o m   t h CL   o f   th m o n it o r ed   d ata,   i.e .   3 .   B y   u s in g   th r ee - s i g m a   co n tr o l   li m it s   it  i s   as s u m ed   t h at  th d is tr ib u tio n   o f   t h q u ali t y   c h ar ac ter is tics   i s   ap p r o x i m atel y   n o r m al l y   d is tr ib u ted .   T h en ,   b y   d o in g   s o   it  is   p r esu m ed   th at  w h ile  t h s y s te m   is   in   s tatis t ical  co n tr o l,  n ea r l y   9 9 . 7 o f   th p o in ts   w i ll  f all  w it h i n   t h co n tr o li m its   [ 28 ] , [ 29 ] .   I n   th is   w a y ,   g o o d   b al an ce   is   m ad b et w ee n   t y p e   an d   II   er r o r s .   I n   ad d itio n   to   th th r ee - s i g m li m it s ,   ad d itio n al  w ar n i n g   li m it s   ca n   b u ti lized .   T h ese  ar n am ed   th i n n er   li m i ts ,   u s u all y   p lace d   at  t w o - s i g m [ 30 ] .       5.   RO B O T   VIB RATI O A NA L YS I S AN F E AT URE  E X T RAC T I O N   T h is   p ap er   co n ce n tr ates   o n   f a u lt  d etec tio n   i n   t h elb o w   j o in ( j o in 3 )   o f   th r o b o t.  T h m ec h a n ica l   co n s tr u ct io n   o f   t h is   j o in t   is   i ll u s tr ated   i n   F ig u r 9 ,   w h ich   co n s i s ts   o f   t w o - s tag e   g ea r   tr ai n   s y s te m .   T h g ea r   tr ain   is   h o u s ed   i n   th e n d   o f   th u p p er   ar m   an d   co n n ec ted   to   DC   m o to r ,   w h ic h   is   h o u s ed   i n   th b eg in n i n g   o f   th u p p er   ar m   as  w e ll,  b y   a   d r iv s h a f t.  T h er is   b e v el  p i n i o n   o n   t h i n p u t   s h af d r iv es   m esh ed   w it h   b e v el   w h ee o n   o n e n d   o f   an   id ler   s h af t.  Als o ,   s p u r   p in io n   at  t h o th er   en d   o f   th id ler   s h a f e n g a g es  w i th   s p u r   w h ee f i x ed   to   th e   f o r ea r m ,   an d   th er e f o r r o tates  t h f o r ea r m   ar o u n d   th e lb o w   a x is .   A   n u m b er   o f   d ee p   g r o o v b all  b ea r in g s   ar u s ed   to   ca r r y   th e   i n p u a n d   id ler   s h af ts .   T h m ai n   f a u lt  m ec h a n is m s   th a m a y   ap p ea r   in   t h j o in g ea r b o x   ar b asicall y   t h s a m as  t h o s ar is i n g   in   o th er   t y p e s   o f   g ea r b o x e s ,   s u c h   as  to o th   f au lts .   U p p e r   c o n t r o l   l i mi t   ( U C L )   C e n t r e   l i n e   ( C L )   L o w e r   c o n t r o l   l i mi t   ( L C L )   S a m p l e   n u m b e r   ( o r   t i m e )   S a mpl e   q u a l i t y   c h a r a c t e r i st i c     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 7   :   3 4 2 1     3 4 3 5   3430   T h m o s co m m o n   t y p es  o f   g e ar   to o th   f ail u r ar s cu f f i n g ,   c r ac k in g ,   m ac r o -   an d   m icr o - p it tin g ,   w ea r ,   b en d in g   f ati g u e,   an d   f r ac t u r d u to   o v er lo ad   as  w ell  a s   b ac k la s h   b et w ee n   m a tin g   teet h .   Mo r eo v er ,   s in ce   g ea r s   ar e   n o r m all y   s u p p o r ted   o n   r o llin g   ele m e n b ea r in g s ,   f au lts   i n   t h ese  b ea r in g s   s u ch   a s   w ea r   i n   t h in n er   o r   o u ter   r ac es  r ep r esen a n o th er   t y p ica t y p o f   f a u lt  in   g ea r   tr an s m i s s io n s .   Fo r   t h p u r p o s o f   f a u lt  r o b o d etec tio n   in   th is   p ap er ,   b ac k lash   h as  b ee n   in tr o d u ce d   in   t h b ev el  g ea r   s et  o f   j o in 3 .   T o   in tr o d u ce   b a ck las h   i n   j o in 3 ,   n u m b er   o f   s cr e w s   s h o u ld   b r o tated   to   ad j u s th p itc h   b et w ee n   t h g ea r   p air s .   Af ter   ad ju s ti n g   t h b ac k la s h ,   th r o b o w a s   p r o g r a m m ed   to   m i m ic  s ta n d ar d   r o b o t ta s k   b y   u n d er tak i n g   p ick   an d   p lace   s eq u en ce .           Fig u r 9 .   Sch e m atic  d iag r a m   o f   j o in t 3   ( elb o w   j o in t)       Sev er al  f ea t u r es  f r o m   th ti m e - d o m ai n   s i g n al s ,   s u c h   as  r o o m ea n   s q u ar ( R MS) ,   s tan d ar d   d ev iatio n   ( ST D) ,   an d   k u r to s i s ,   ar e x tr ac ted   w h e n   t h r o b o is   h ea lth y   a n d   w h en   d if f er en b ac k las h   le v el s   ar e   in tr o d u ce d .   A   co m p ar i s o n   o f   th ese  f ea t u r es,  to   in v est ig at e   w h ic h   is   t h m o s f au l ts   s en s it iv o n e,   w a s   ac co m p li s h ed .   T h s en s iti v f ea tu r m u s b n o r m a ll y   d is tr i b u ted ,   as  th is   i s   co n d itio n   th at  h as  to   b m e i n   o r d er   to   ca lcu late  t h e   th r e s h o l d   v al u es   u s in g   S C C   [ 28 ] , [ 30 ] .   T h ST f ea t u r e,   w h ic h   i s   n o r m all y   u s ed   as   a   m ea s u r o f   ex te n o f   v ar iatio n   o f   th p r o ce s s ed   d ata  an d   h as  th s a m u n it s   as  th d ata,   w a s   f o u n d   to   b th m o s t   f a u lt s   s en s iti v e,   a n d   n o r m all y   d is tr ib u ted   o n e ;   a n d   h en ce   it   w as   s elec ted   f o r   co m p ar is o n   a m o n g   f a u l t   s ev er itie s .   T o   c o m p u te  s et s   o f   ST v alu es  f r o m   th e   ti m e - d o m ain   d ata,   in   o r d er   to   b u s ed   f o r   d ev el o p in g   a n d   test i n g   o f   SC C ,   th r o b o w as  p r o g r a m m ed   to   ex ec u te  t h p ick   an d   p lace   task   f o r   1 0 0 - ti m an d   t h ST D   v alu e s   f o r   ea ch   r ep etitio n   w er ca lcu lated .   T h ST r esu lts   w h en   t h b ac k la s h   f a u lt  w as  s i m u lated   a n d   ev e n   w it h   t h o t h er   f a u lt  t y p es  h av s h o w n   t h at  t h X - ax i s   v ib r atio n   is   t h b est  to   b u tili ze d   f o r   m o n ito r in g   th e   ef f ec o f   f a u lt  d ev elo p m e n in   th r o b o t,  as  a   clea r   d esig n at io n   ca n   b r ec o g n ized   a m o n g s t h d if f er en f a u lt s .   Ho w e v er ,   Y -   an d   Z - a x is   co u ld   ex p er ien ce   h i g h er   v ib r atio n   le v el  i f   t h r o b o ex ec u tes   d if f er e n ta s k s   t h at  in v o l v d if f er en s eq u e n ce   o f   m o v e m e n t s   o r   if   f a u lt  is   p r o g r ess ed   in   t h o th er   j o in ts .   B ec au s o f   t h is   a n d   in   o r d er   to   ac h iev r eliab le  f au lt  d etec tio n ,   t h v ib r atio n   o f   t h th r ee   a x es  h as   to   b co n s id er ed .   T h u s ,   t h r esu lta n o f   th X - Y - Z   s tan d ar d   d ev iatio n s   w i ll  b co m p u ted ,   b y   tak i n g   t h s q u ar r o o o f   th s u m   o f   t h e   s q u ar es  o f   t h t h r ee   ST Ds,  an d   u s ed   a s   t h f a u lt  i n d icato r .   Fig u r 1 0   s h o w s   th e   r esu ltan t   ST v al u es  f o r   t h r o b o w h en   it  i s   h ea l th y   an d   w it h   t h r ee   b ac k las h   le v els  ( h i g h ,   s m al an d   in ter f er en ce ) clea r   d if f er en ce   ca n   b r ea lized   am o n g s t h f o u r   tr en d s   r elate d   to   r o b o h ea lth   co n d itio n s .   T h h ig h   b ac k la s h   co n d itio n s   s h o w   lo w er   r esu ltan t ST Ds  w h er ea s   th e y   ar t h h i g h est i n   t h in te r f er en ce   co n d itio n .     T h n o r m alit y   o f   t h h ea lt h y   f ea t u r es  w a s   s t u d ied   t h r o u g h   g r ap h ical  tec h n iq u es   u s ed   to   ass e s s   w h et h er   o r   n o t h d ata  ar c o n s is ten t   w it h   t h n o r m al   d is t r ib u tio n .   T h ese  ar th h i s to g r a m ,   w h ich   is   b ar   g r ap h   p lo o f   d ata  a n d   r ep r esen t s   an   ap p r o x i m atio n   to   p r o b ab ilit y   d en s it y   f u n ctio n ,   an d   t h n o r m al  p r o b a b ilit y   p lo t.  T h v er tica ax is   o f   a   h i s to g r a m   r e p r esen t s   t h d ata  t y p e   f r eq u en c y ,   wh ile  i s i g n i f ies   th e   cu m u lat iv p r o b ab ilit ies  s ca le  in   th n o r m al  p r o b ab ilit y   p lo t;  th h o r izo n tal  ax e s   i n   b o t h   p lo ts   ar t h v al u e s   o f   th v ar iab le.   A t h ce n ter   o f   t h n o r m al  p r o b ab ilit y   p lo t,  lin o f   n o r m a p r o b ab i lit y   i s   d r a w n   p as s in g   th r o u g h   t h m ea n   o f   th v ar ia b le  an d   th 5 0 cu m u la tiv p r o b ab ilit y .   I f   m o s o f   t h d ata  p o in ts   ar p lace d   o n   th is   li n e,   t h d ata  i s   co n s id er ed   to   b n o r m all y   d is tr ib u ted .   I f   t h p o in t s   ap p ea r   in   c u r v at u r s h ap e,   th e n   t h e   in d icatio n   is   t h at  t h d ata  ar n o n o r m all y   d is tr ib u ted .   T o   a ch iev e   th is   a n d   to   ca lcu late  t h u p p er   an d   lo w er   co n tr o li m i ts ,   as  w ill  b e x p lain ed   later ,   th Min itab   1 7   s tatis tical  p ac k ag h as   b ee n   u s ed   an d   th r es u lt  i s   s h o w n   i n   Fi g u r 1 1 th h is t o g r a m   ( lef t)   is   i n d icati n g   b ell - s h ap d is tr ib u tio n   an d   th e   d ata  in   th n o r m al   p r o b a b ilit y   p lo ( r ig h t)   lo o k s   r ea s o n ab l y   s tr ai g h t,  m ea n i n g   th at  th r es u lta n ST is   n o r m al l y   d is tr ib u ted ,   th u s   it  w i ll b u s ed   f o r   d esi g n i n g   th co n tr o l c h ar t.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.