基于WinCE碼垛機器人人機界面設(shè)計

董忠等

摘要：為了適應(yīng)碼垛機器人特殊的系統(tǒng)配置需求和運行操作需求，基于WinCE平臺在Visual Studio 2008環(huán)境中使用C++編程語言開發(fā)了碼垛機器人專用操作界面。專門設(shè)計了碼垛工藝配置界面以及在線運行環(huán)境，可以用來指定產(chǎn)品和托盤尺寸，配置現(xiàn)場布局，用戶自定義垛型。設(shè)計了專用配方數(shù)據(jù)塊管理系統(tǒng)，以及設(shè)計了畫面跳轉(zhuǎn)的邏輯關(guān)系架構(gòu)。該人機界面的設(shè)計采用了面向?qū)ο笏枷耄畲蟪潭鹊貜?fù)用畫面元素，精簡代碼容量，提高了畫面生成及擦除效率。針對不同的使用者，設(shè)計了權(quán)限設(shè)置和用戶管理系統(tǒng)，方便面向不同用戶的操作權(quán)限。

關(guān)鍵詞：碼垛機器人；人機界面設(shè)計；WinCE

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）18-4184-04

Palletizing-robot-tailored HMI Design Based on WinCE

DONG Zhong， LI Wen-yi， TONG Shang-gao， YUAN Han， ZHANG Hao

（Triowin Automation Equipment Co， Ltd. Shanghai 201506， China）

Abstract：Catering for the special need of configuring and operating a palletizing robot， a HMI， tailored for this kind of robot was designed in Visual Studio 2008 development environment and implemented on hardware with a WinCE OS running on it. Palletizing task configuration screens were designed to facilitate specifying the dimensions of to-be-palletized products and pallets， configuring the layout of conveyor lines， robots and pallets， customizing patterns and splicing multiple segments of conveyor lines for various functional purpose in a flexible way. Object-oriented programming method ensures codes reusable and of mostly reduced amount， therefore improving the efficiency of displaying and erasing screens. For different users， HMI supplies the permission setting and allow the named user to administrate its system data， which is convenient to manage the customers palletized product.

Key words：Palletizing robot； HMI Design； WinCE

示教器（觸摸屏）作為機器人系統(tǒng)的重要組成部分，是操作員與機器人交互的唯一和重要的接口。應(yīng)用工程師通過示教器才可配置滿足用戶要求和適應(yīng)應(yīng)用現(xiàn)場的碼垛工藝，才可方便的對參數(shù)進行設(shè)置，數(shù)據(jù)進行管理。用戶可以通過示教器操縱機器人的正常啟停操作，數(shù)據(jù)塊調(diào)用，碼垛速度調(diào)整，狀態(tài)監(jiān)視，以及對機器人系統(tǒng)包括周邊設(shè)備進行例行的維護作業(yè)。鑒于示教器的重要性以及與底層控制系統(tǒng)兼容和信息交互的必要性，國際上大的機器人廠商都專門設(shè)計適合自己的示教器。

觸摸屏界面由一系列畫面組成，好的界面設(shè)計不僅要求外觀的美觀性，操作的便利性和流暢性對用戶的操作體驗影響很大。這就要求在設(shè)計畫面前，要對任務(wù)或業(yè)務(wù)邏輯和用戶使用習(xí)慣進行精細的研究，從而決定畫面需要呈現(xiàn)的內(nèi)容，畫面數(shù)量以及畫面跳轉(zhuǎn)邏輯。論文[1]通過介紹成熟的西門子工業(yè)組態(tài)軟件WinCC，其優(yōu)點具有界面實現(xiàn)快速、快速成型、組態(tài)容易，并且能夠快速建立通訊，實現(xiàn)對各種現(xiàn)場設(shè)備控制，但是其圖形界面簡單、模塊擴展困難，并且對于大數(shù)據(jù)的客戶需求力不從心。論文[2]從人機工程學(xué)角度和基于工作環(huán)境的分析設(shè)計美觀，清晰，易讀的人機界面。論文[3]中討論了通過位圖上箭頭的動態(tài)移動和進度條實施顯示的方法來表征系統(tǒng)內(nèi)部變量的狀態(tài)，但是并沒有介紹如何將變量的值與顯示進度進行綁定，從而保證顯示的準確性和實時性。對于如何評估一個人機界面的設(shè)計，論文[4]提出了啟發(fā)式方法和自述式方法來評估用戶的使用體驗。

本文將介紹界面系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計以定義界面跳轉(zhuǎn)的邏輯，介紹碼垛機器人的主要的功能界面，以及相關(guān)的軟件設(shè)計。故本文首先介紹軟件所運行的硬件系統(tǒng)；接著介紹碼垛機器人特有的人機交互功能畫面，來展示我們所實現(xiàn)的交互功能；再介紹畫面切換邏輯架構(gòu)以及相關(guān)的軟件設(shè)計；最后針對本設(shè)計的總結(jié)。

1 硬件系統(tǒng)

本人機界面主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示以及錄入功能，故硬件系統(tǒng)主要由帶觸摸功能的顯示屏和控制板構(gòu)成，其中控制板上的主控芯片采用三星的SMDK_S5PV510_CPU， 主頻為1GHz，內(nèi)存256M，以及周邊電路構(gòu)成；周邊電路包括GPIO、USB、Ethernet、存儲卡等接口，顯示屏的數(shù)據(jù)通過總線技術(shù)與控制系統(tǒng)通訊。具體實物如圖1所示。

2 軟件設(shè)計

本節(jié)重點介紹畫面切換邏輯架構(gòu)以及背后的軟件流程設(shè)計。介紹了軟件開發(fā)環(huán)境和人機界面流程設(shè)計。endprint

2.1 軟件開發(fā)系統(tǒng)

軟件開發(fā)環(huán)境基于Visual Studio 2008的C++語言開發(fā)，并結(jié)合系統(tǒng)帶有的SDK函數(shù)，開發(fā)基于WinCE嵌入式系統(tǒng)的人機操作系統(tǒng)[5] [6]。

2.2 人機界面流程設(shè)計

通常對于碼垛系統(tǒng)，根據(jù)機器人搬運特性，由啟動界面進入，顯示公司LOGO，讀取機器人身份信息，若不成功，則顯示手動輸入畫面，否則，進入密碼輸入畫面，獲取權(quán)限等級。權(quán)限獲取成功后，自動進入控制系統(tǒng)內(nèi)部校驗程序，校驗通過后，根據(jù)當前模式，選擇相應(yīng)的頁面操作。具體流程圖如圖2所示。

根據(jù)多年的現(xiàn)場的客戶需求調(diào)研，本人機操作界面可以劃分如下圖3所示關(guān)系網(wǎng)。

首先由主程序窗口調(diào)用相關(guān)的外部狀態(tài)信息IO，獲取當前機器人狀態(tài)，比如手自動狀態(tài)、用戶權(quán)限狀態(tài)等，有選擇的進入相應(yīng)操作界面。

若當前為離線編輯信號IO觸發(fā)，則進入MUnSearch或MSearch界面，若觸發(fā)用戶權(quán)限信號IO，則進入LogIn 界面升級用戶權(quán)限，若信號IO變?yōu)樵诰€狀態(tài)，則觸發(fā)AUnSearch或ASearch界面，進入在線監(jiān)控功能。而對于離線狀態(tài)或在線監(jiān)控狀態(tài)，分別根據(jù)機器人當前的編碼器位置狀態(tài)，選擇進入相應(yīng)的功能界面。

若此時進入MUnSearch界面，可以對機器人任意移動；若是MSearch界面，可以對機器人離線編程；若是ASearch界面，可以對機器人在線監(jiān)控，如修改速度、過程查看等。

3 人機界面設(shè)計及實現(xiàn)

本節(jié)將重點介紹主要的人機操作界面，包括緊急狀態(tài)下的機器人移動界面、工藝參數(shù)配置界面、垛型參數(shù)編輯界面、在線監(jiān)控界面。

3.1 機器人移動界面

當機器人出現(xiàn)故障，不能自動移動位置時，比如碰到硬件限位或出現(xiàn)碰撞現(xiàn)象時，此時可以進入手動頁面，選擇機器人操作，移動機器人到指定位置。

圖4中，可以查看輸入信號和輸出信號；可以選擇移動的方向，比如前后、上下、旋轉(zhuǎn)等；可以調(diào)整抓手的運轉(zhuǎn)速度，比如微速、低速以及中速；也可以選擇機器人的運轉(zhuǎn)方向，功能的設(shè)置基本可以滿足操作機器人的最低需求。

3.2 碼垛工藝配置界面

對于新建碼垛工藝線，需要配置系統(tǒng)參數(shù)、位置信息、以及產(chǎn)品參數(shù)，等必要的信息。

圖5中提供了機器人類型、輸入輸出、行程相關(guān)設(shè)置等信息。滿足機器人搬運工藝設(shè)置的要求。

圖6中提供了碼垛數(shù)據(jù)編輯與創(chuàng)建的功能，產(chǎn)品覆蓋了袋子、箱子，以及可變數(shù)量抓取的功能?？梢蕴砑赢a(chǎn)品數(shù)量，改變產(chǎn)品方向，單步數(shù)量修改，產(chǎn)品位置移動以及旋轉(zhuǎn)等設(shè)置。本頁面中，示例生成了每層五包的袋裝產(chǎn)品，編號從1到5，可以通過調(diào)整編號的順序，達到改變產(chǎn)品的實際碼垛順序。

3.3 在線監(jiān)控系統(tǒng)

在線監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r響應(yīng)機器人中斷需求，以及必要數(shù)據(jù)顯示與輸入。圖7中提供了輸入與輸出信號顯示，產(chǎn)品類型以及碼垛線程監(jiān)視，以及碼垛過程參數(shù)顯示和輸入。

4 結(jié)束語

本文基于嵌入式硬件系統(tǒng)，以及WinCE系統(tǒng)，詳細設(shè)計了碼垛機器人人機界面。通過對比目前的機器人人機界面產(chǎn)品，設(shè)計了更加靈活、功能更加全面、能夠自由定制碼垛工藝的人機操作界面。有選擇性的介紹了碼垛應(yīng)用所需的主要的功能畫面，及畫面跳轉(zhuǎn)邏輯設(shè)計。軟件上采用面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，極大提高了代碼的重用率，縮短了界面開發(fā)周期，成功應(yīng)用在了公司的碼垛機器人系統(tǒng)，驗證了人機界面設(shè)計包括程序設(shè)計的可用性和可靠性。

參考文獻：

[1] 張海平，陳彥. Wincc在打包機人機界面中的設(shè)計與應(yīng)用[J].HMI與工業(yè)軟件，2012（3）：70-72.

[2] 朱華棟，孔亞廣.嵌入式人機界面的設(shè)計[J]. 中國水運，2008（11）：125-126.

[3] 金長新，李偉.基于Windows CE的車載電腦系統(tǒng)人機界面的實現(xiàn)[J].微計算機信息，2005（21）：132-134.

[4] 趙玉新.淺談軟件人機界面的評估方法及其應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù)，2011（7）： 365-367.

[5] 庫伯，瑞寧，克洛林. About Face 3 交互設(shè)計精髓[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[6] 高磊，王洪濱.Windows CE系統(tǒng)開發(fā)高級編程與典型實例[M].北京：中國電力出版社，2011.endprint

2.1 軟件開發(fā)系統(tǒng)

軟件開發(fā)環(huán)境基于Visual Studio 2008的C++語言開發(fā)，并結(jié)合系統(tǒng)帶有的SDK函數(shù)，開發(fā)基于WinCE嵌入式系統(tǒng)的人機操作系統(tǒng)[5] [6]。

2.2 人機界面流程設(shè)計

通常對于碼垛系統(tǒng)，根據(jù)機器人搬運特性，由啟動界面進入，顯示公司LOGO，讀取機器人身份信息，若不成功，則顯示手動輸入畫面，否則，進入密碼輸入畫面，獲取權(quán)限等級。權(quán)限獲取成功后，自動進入控制系統(tǒng)內(nèi)部校驗程序，校驗通過后，根據(jù)當前模式，選擇相應(yīng)的頁面操作。具體流程圖如圖2所示。

根據(jù)多年的現(xiàn)場的客戶需求調(diào)研，本人機操作界面可以劃分如下圖3所示關(guān)系網(wǎng)。

首先由主程序窗口調(diào)用相關(guān)的外部狀態(tài)信息IO，獲取當前機器人狀態(tài)，比如手自動狀態(tài)、用戶權(quán)限狀態(tài)等，有選擇的進入相應(yīng)操作界面。

若當前為離線編輯信號IO觸發(fā)，則進入MUnSearch或MSearch界面，若觸發(fā)用戶權(quán)限信號IO，則進入LogIn 界面升級用戶權(quán)限，若信號IO變?yōu)樵诰€狀態(tài)，則觸發(fā)AUnSearch或ASearch界面，進入在線監(jiān)控功能。而對于離線狀態(tài)或在線監(jiān)控狀態(tài)，分別根據(jù)機器人當前的編碼器位置狀態(tài)，選擇進入相應(yīng)的功能界面。

若此時進入MUnSearch界面，可以對機器人任意移動；若是MSearch界面，可以對機器人離線編程；若是ASearch界面，可以對機器人在線監(jiān)控，如修改速度、過程查看等。

3 人機界面設(shè)計及實現(xiàn)

本節(jié)將重點介紹主要的人機操作界面，包括緊急狀態(tài)下的機器人移動界面、工藝參數(shù)配置界面、垛型參數(shù)編輯界面、在線監(jiān)控界面。

3.1 機器人移動界面

當機器人出現(xiàn)故障，不能自動移動位置時，比如碰到硬件限位或出現(xiàn)碰撞現(xiàn)象時，此時可以進入手動頁面，選擇機器人操作，移動機器人到指定位置。

圖4中，可以查看輸入信號和輸出信號；可以選擇移動的方向，比如前后、上下、旋轉(zhuǎn)等；可以調(diào)整抓手的運轉(zhuǎn)速度，比如微速、低速以及中速；也可以選擇機器人的運轉(zhuǎn)方向，功能的設(shè)置基本可以滿足操作機器人的最低需求。

3.2 碼垛工藝配置界面

對于新建碼垛工藝線，需要配置系統(tǒng)參數(shù)、位置信息、以及產(chǎn)品參數(shù)，等必要的信息。

圖5中提供了機器人類型、輸入輸出、行程相關(guān)設(shè)置等信息。滿足機器人搬運工藝設(shè)置的要求。

圖6中提供了碼垛數(shù)據(jù)編輯與創(chuàng)建的功能，產(chǎn)品覆蓋了袋子、箱子，以及可變數(shù)量抓取的功能。可以添加產(chǎn)品數(shù)量，改變產(chǎn)品方向，單步數(shù)量修改，產(chǎn)品位置移動以及旋轉(zhuǎn)等設(shè)置。本頁面中，示例生成了每層五包的袋裝產(chǎn)品，編號從1到5，可以通過調(diào)整編號的順序，達到改變產(chǎn)品的實際碼垛順序。

3.3 在線監(jiān)控系統(tǒng)

在線監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r響應(yīng)機器人中斷需求，以及必要數(shù)據(jù)顯示與輸入。圖7中提供了輸入與輸出信號顯示，產(chǎn)品類型以及碼垛線程監(jiān)視，以及碼垛過程參數(shù)顯示和輸入。

4 結(jié)束語

本文基于嵌入式硬件系統(tǒng)，以及WinCE系統(tǒng)，詳細設(shè)計了碼垛機器人人機界面。通過對比目前的機器人人機界面產(chǎn)品，設(shè)計了更加靈活、功能更加全面、能夠自由定制碼垛工藝的人機操作界面。有選擇性的介紹了碼垛應(yīng)用所需的主要的功能畫面，及畫面跳轉(zhuǎn)邏輯設(shè)計。軟件上采用面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，極大提高了代碼的重用率，縮短了界面開發(fā)周期，成功應(yīng)用在了公司的碼垛機器人系統(tǒng)，驗證了人機界面設(shè)計包括程序設(shè)計的可用性和可靠性。

參考文獻：

[1] 張海平，陳彥. Wincc在打包機人機界面中的設(shè)計與應(yīng)用[J].HMI與工業(yè)軟件，2012（3）：70-72.

[2] 朱華棟，孔亞廣.嵌入式人機界面的設(shè)計[J]. 中國水運，2008（11）：125-126.

[3] 金長新，李偉.基于Windows CE的車載電腦系統(tǒng)人機界面的實現(xiàn)[J].微計算機信息，2005（21）：132-134.

[4] 趙玉新.淺談軟件人機界面的評估方法及其應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù)，2011（7）： 365-367.

[5] 庫伯，瑞寧，克洛林. About Face 3 交互設(shè)計精髓[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[6] 高磊，王洪濱.Windows CE系統(tǒng)開發(fā)高級編程與典型實例[M].北京：中國電力出版社，2011.endprint

2.1 軟件開發(fā)系統(tǒng)

軟件開發(fā)環(huán)境基于Visual Studio 2008的C++語言開發(fā)，并結(jié)合系統(tǒng)帶有的SDK函數(shù)，開發(fā)基于WinCE嵌入式系統(tǒng)的人機操作系統(tǒng)[5] [6]。

2.2 人機界面流程設(shè)計

通常對于碼垛系統(tǒng)，根據(jù)機器人搬運特性，由啟動界面進入，顯示公司LOGO，讀取機器人身份信息，若不成功，則顯示手動輸入畫面，否則，進入密碼輸入畫面，獲取權(quán)限等級。權(quán)限獲取成功后，自動進入控制系統(tǒng)內(nèi)部校驗程序，校驗通過后，根據(jù)當前模式，選擇相應(yīng)的頁面操作。具體流程圖如圖2所示。

根據(jù)多年的現(xiàn)場的客戶需求調(diào)研，本人機操作界面可以劃分如下圖3所示關(guān)系網(wǎng)。

首先由主程序窗口調(diào)用相關(guān)的外部狀態(tài)信息IO，獲取當前機器人狀態(tài)，比如手自動狀態(tài)、用戶權(quán)限狀態(tài)等，有選擇的進入相應(yīng)操作界面。

若當前為離線編輯信號IO觸發(fā)，則進入MUnSearch或MSearch界面，若觸發(fā)用戶權(quán)限信號IO，則進入LogIn 界面升級用戶權(quán)限，若信號IO變?yōu)樵诰€狀態(tài)，則觸發(fā)AUnSearch或ASearch界面，進入在線監(jiān)控功能。而對于離線狀態(tài)或在線監(jiān)控狀態(tài)，分別根據(jù)機器人當前的編碼器位置狀態(tài)，選擇進入相應(yīng)的功能界面。

若此時進入MUnSearch界面，可以對機器人任意移動；若是MSearch界面，可以對機器人離線編程；若是ASearch界面，可以對機器人在線監(jiān)控，如修改速度、過程查看等。

3 人機界面設(shè)計及實現(xiàn)

本節(jié)將重點介紹主要的人機操作界面，包括緊急狀態(tài)下的機器人移動界面、工藝參數(shù)配置界面、垛型參數(shù)編輯界面、在線監(jiān)控界面。

3.1 機器人移動界面

當機器人出現(xiàn)故障，不能自動移動位置時，比如碰到硬件限位或出現(xiàn)碰撞現(xiàn)象時，此時可以進入手動頁面，選擇機器人操作，移動機器人到指定位置。

圖4中，可以查看輸入信號和輸出信號；可以選擇移動的方向，比如前后、上下、旋轉(zhuǎn)等；可以調(diào)整抓手的運轉(zhuǎn)速度，比如微速、低速以及中速；也可以選擇機器人的運轉(zhuǎn)方向，功能的設(shè)置基本可以滿足操作機器人的最低需求。

3.2 碼垛工藝配置界面

對于新建碼垛工藝線，需要配置系統(tǒng)參數(shù)、位置信息、以及產(chǎn)品參數(shù)，等必要的信息。

圖5中提供了機器人類型、輸入輸出、行程相關(guān)設(shè)置等信息。滿足機器人搬運工藝設(shè)置的要求。

圖6中提供了碼垛數(shù)據(jù)編輯與創(chuàng)建的功能，產(chǎn)品覆蓋了袋子、箱子，以及可變數(shù)量抓取的功能?？梢蕴砑赢a(chǎn)品數(shù)量，改變產(chǎn)品方向，單步數(shù)量修改，產(chǎn)品位置移動以及旋轉(zhuǎn)等設(shè)置。本頁面中，示例生成了每層五包的袋裝產(chǎn)品，編號從1到5，可以通過調(diào)整編號的順序，達到改變產(chǎn)品的實際碼垛順序。

3.3 在線監(jiān)控系統(tǒng)

在線監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r響應(yīng)機器人中斷需求，以及必要數(shù)據(jù)顯示與輸入。圖7中提供了輸入與輸出信號顯示，產(chǎn)品類型以及碼垛線程監(jiān)視，以及碼垛過程參數(shù)顯示和輸入。

4 結(jié)束語

本文基于嵌入式硬件系統(tǒng)，以及WinCE系統(tǒng)，詳細設(shè)計了碼垛機器人人機界面。通過對比目前的機器人人機界面產(chǎn)品，設(shè)計了更加靈活、功能更加全面、能夠自由定制碼垛工藝的人機操作界面。有選擇性的介紹了碼垛應(yīng)用所需的主要的功能畫面，及畫面跳轉(zhuǎn)邏輯設(shè)計。軟件上采用面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，極大提高了代碼的重用率，縮短了界面開發(fā)周期，成功應(yīng)用在了公司的碼垛機器人系統(tǒng)，驗證了人機界面設(shè)計包括程序設(shè)計的可用性和可靠性。

參考文獻：

[1] 張海平，陳彥. Wincc在打包機人機界面中的設(shè)計與應(yīng)用[J].HMI與工業(yè)軟件，2012（3）：70-72.

[2] 朱華棟，孔亞廣.嵌入式人機界面的設(shè)計[J]. 中國水運，2008（11）：125-126.

[3] 金長新，李偉.基于Windows CE的車載電腦系統(tǒng)人機界面的實現(xiàn)[J].微計算機信息，2005（21）：132-134.

[4] 趙玉新.淺談軟件人機界面的評估方法及其應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù)，2011（7）： 365-367.

[5] 庫伯，瑞寧，克洛林. About Face 3 交互設(shè)計精髓[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[6] 高磊，王洪濱.Windows CE系統(tǒng)開發(fā)高級編程與典型實例[M].北京：中國電力出版社，2011.endprint