基于WinCE码垛机器人人机界面设计

董忠等

摘要：为了适应码垛机器人特殊的系统配置需求和运行操作需求，基于WinCE平台在Visual Studio 2008环境中使用C++编程语言开发了码垛机器人专用操作界面。专门设计了码垛工艺配置界面以及在线运行环境，可以用来指定产品和托盘尺寸，配置现场布局，用户自定义垛型。设计了专用配方数据块管理系统，以及设计了画面跳转的逻辑关系架构。该人机界面的设计采用了面向对象思想，最大程度地复用画面元素，精简代码容量，提高了画面生成及擦除效率。针对不同的使用者，设计了权限设置和用户管理系统，方便面向不同用户的操作权限。

关键词：码垛机器人；人机界面设计；WinCE

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：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（触摸屏）作为机器人系统的重要组成部分，是操作员与机器人交互的唯一和重要的接口。应用工程师通过示教器才可配置满足用户要求和适应应用现场的码垛工艺，才可方便的对参数进行设置，数据进行管理。用户可以通过示教器操纵机器人的正常启停操作，数据块调用，码垛速度调整，状态监视，以及对机器人系统包括周边设备进行例行的维护作业。鉴于示教器的重要性以及与底层控制系统兼容和信息交互的必要性，国际上大的机器人厂商都专门设计适合自己的示教器。

触摸屏界面由一系列画面组成，好的界面设计不仅要求外观的美观性，操作的便利性和流畅性对用户的操作体验影响很大。这就要求在设计画面前，要对任务或业务逻辑和用户使用习惯进行精细的研究，从而决定画面需要呈现的内容，画面数量以及画面跳转逻辑。论文[1]通过介绍成熟的西门子工业组态软件WinCC，其优点具有界面实现快速、快速成型、组态容易，并且能够快速建立通讯，实现对各种现场设备控制，但是其图形界面简单、模块扩展困难，并且对于大数据的客户需求力不从心。论文[2]从人机工程学角度和基于工作环境的分析设计美观，清晰，易读的人机界面。论文[3]中讨论了通过位图上箭头的动态移动和进度条实施显示的方法来表征系统内部变量的状态，但是并没有介绍如何将变量的值与显示进度进行绑定，从而保证显示的准确性和实时性。对于如何评估一个人机界面的设计，论文[4]提出了启发式方法和自述式方法来评估用户的使用体验。

本文将介绍界面系统的架构设计以定义界面跳转的逻辑，介绍码垛机器人的主要的功能界面，以及相关的软件设计。故本文首先介绍软件所运行的硬件系统；接着介绍码垛机器人特有的人机交互功能画面，来展示我们所实现的交互功能；再介绍画面切换逻辑架构以及相关的软件设计；最后针对本设计的总结。

1 硬件系统

本人机界面主要实现数据显示以及录入功能，故硬件系统主要由带触摸功能的显示屏和控制板构成，其中控制板上的主控芯片采用三星的SMDK_S5PV510_CPU， 主频为1GHz，内存256M，以及周边电路构成；周边电路包括GPIO、USB、Ethernet、存储卡等接口，显示屏的数据通过总线技术与控制系统通讯。具体实物如图1所示。

2 软件设计

本节重点介绍画面切换逻辑架构以及背后的软件流程设计。介绍了软件开发环境和人机界面流程设计。endprint

2.1 软件开发系统

软件开发环境基于Visual Studio 2008的C++语言开发，并结合系统带有的SDK函数，开发基于WinCE嵌入式系统的人机操作系统[5] [6]。

2.2 人机界面流程设计

通常对于码垛系统，根据机器人搬运特性，由启动界面进入，显示公司LOGO，读取机器人身份信息，若不成功，则显示手动输入画面，否则，进入密码输入画面，获取权限等级。权限获取成功后，自动进入控制系统内部校验程序，校验通过后，根据当前模式，选择相应的页面操作。具体流程图如图2所示。

根据多年的现场的客户需求调研，本人机操作界面可以划分如下图3所示关系网。

首先由主程序窗口调用相关的外部状态信息IO，获取当前机器人状态，比如手自动状态、用户权限状态等，有选择的进入相应操作界面。

若当前为离线编辑信号IO触发，则进入MUnSearch或MSearch界面，若触发用户权限信号IO，则进入LogIn 界面升级用户权限，若信号IO变为在线状态，则触发AUnSearch或ASearch界面，进入在线监控功能。而对于离线状态或在线监控状态，分别根据机器人当前的编码器位置状态，选择进入相应的功能界面。

若此时进入MUnSearch界面，可以对机器人任意移动；若是MSearch界面，可以对机器人离线编程；若是ASearch界面，可以对机器人在线监控，如修改速度、过程查看等。

3 人机界面设计及实现

本节将重点介绍主要的人机操作界面，包括紧急状态下的机器人移动界面、工艺参数配置界面、垛型参数编辑界面、在线监控界面。

3.1 机器人移动界面

当机器人出现故障，不能自动移动位置时，比如碰到硬件限位或出现碰撞现象时，此时可以进入手动页面，选择机器人操作，移动机器人到指定位置。

图4中，可以查看输入信号和输出信号；可以选择移动的方向，比如前后、上下、旋转等；可以调整抓手的运转速度，比如微速、低速以及中速；也可以选择机器人的运转方向，功能的设置基本可以满足操作机器人的最低需求。

3.2 码垛工艺配置界面

对于新建码垛工艺线，需要配置系统参数、位置信息、以及产品参数，等必要的信息。

图5中提供了机器人类型、输入输出、行程相关设置等信息。满足机器人搬运工艺设置的要求。

图6中提供了码垛数据编辑与创建的功能，产品覆盖了袋子、箱子，以及可变数量抓取的功能。可以添加产品数量，改变产品方向，单步数量修改，产品位置移动以及旋转等设置。本页面中，示例生成了每层五包的袋装产品，编号从1到5，可以通过调整编号的顺序，达到改变产品的实际码垛顺序。

3.3 在线监控系统

在线监控系统能够实时响应机器人中断需求，以及必要数据显示与输入。图7中提供了输入与输出信号显示，产品类型以及码垛线程监视，以及码垛过程参数显示和输入。

4 结束语

本文基于嵌入式硬件系统，以及WinCE系统，详细设计了码垛机器人人机界面。通过对比目前的机器人人机界面产品，设计了更加灵活、功能更加全面、能够自由定制码垛工艺的人机操作界面。有选择性的介绍了码垛应用所需的主要的功能画面，及画面跳转逻辑设计。软件上采用面向对象编程技术，极大提高了代码的重用率，缩短了界面开发周期，成功应用在了公司的码垛机器人系统，验证了人机界面设计包括程序设计的可用性和可靠性。

参考文献：

[1] 张海平，陈彦. Wincc在打包机人机界面中的设计与应用[J].HMI与工业软件，2012（3）：70-72.

[2] 朱华栋，孔亚广.嵌入式人机界面的设计[J]. 中国水运，2008（11）：125-126.

[3] 金长新，李伟.基于Windows CE的车载电脑系统人机界面的实现[J].微计算机信息，2005（21）：132-134.

[4] 赵玉新.浅谈软件人机界面的评估方法及其应用[J].电脑知识与技术，2011（7）： 365-367.

[5] 库伯，瑞宁，克洛林. About Face 3 交互设计精髓[M].北京：电子工业出版社，2008.

[6] 高磊，王洪滨.Windows CE系统开发高级编程与典型实例[M].北京：中国电力出版社，2011.endprint

2.1 软件开发系统

软件开发环境基于Visual Studio 2008的C++语言开发，并结合系统带有的SDK函数，开发基于WinCE嵌入式系统的人机操作系统[5] [6]。

2.2 人机界面流程设计

通常对于码垛系统，根据机器人搬运特性，由启动界面进入，显示公司LOGO，读取机器人身份信息，若不成功，则显示手动输入画面，否则，进入密码输入画面，获取权限等级。权限获取成功后，自动进入控制系统内部校验程序，校验通过后，根据当前模式，选择相应的页面操作。具体流程图如图2所示。

根据多年的现场的客户需求调研，本人机操作界面可以划分如下图3所示关系网。

首先由主程序窗口调用相关的外部状态信息IO，获取当前机器人状态，比如手自动状态、用户权限状态等，有选择的进入相应操作界面。

若当前为离线编辑信号IO触发，则进入MUnSearch或MSearch界面，若触发用户权限信号IO，则进入LogIn 界面升级用户权限，若信号IO变为在线状态，则触发AUnSearch或ASearch界面，进入在线监控功能。而对于离线状态或在线监控状态，分别根据机器人当前的编码器位置状态，选择进入相应的功能界面。

若此时进入MUnSearch界面，可以对机器人任意移动；若是MSearch界面，可以对机器人离线编程；若是ASearch界面，可以对机器人在线监控，如修改速度、过程查看等。

3 人机界面设计及实现

本节将重点介绍主要的人机操作界面，包括紧急状态下的机器人移动界面、工艺参数配置界面、垛型参数编辑界面、在线监控界面。

3.1 机器人移动界面

当机器人出现故障，不能自动移动位置时，比如碰到硬件限位或出现碰撞现象时，此时可以进入手动页面，选择机器人操作，移动机器人到指定位置。

图4中，可以查看输入信号和输出信号；可以选择移动的方向，比如前后、上下、旋转等；可以调整抓手的运转速度，比如微速、低速以及中速；也可以选择机器人的运转方向，功能的设置基本可以满足操作机器人的最低需求。

3.2 码垛工艺配置界面

对于新建码垛工艺线，需要配置系统参数、位置信息、以及产品参数，等必要的信息。

图5中提供了机器人类型、输入输出、行程相关设置等信息。满足机器人搬运工艺设置的要求。

图6中提供了码垛数据编辑与创建的功能，产品覆盖了袋子、箱子，以及可变数量抓取的功能。可以添加产品数量，改变产品方向，单步数量修改，产品位置移动以及旋转等设置。本页面中，示例生成了每层五包的袋装产品，编号从1到5，可以通过调整编号的顺序，达到改变产品的实际码垛顺序。

3.3 在线监控系统

在线监控系统能够实时响应机器人中断需求，以及必要数据显示与输入。图7中提供了输入与输出信号显示，产品类型以及码垛线程监视，以及码垛过程参数显示和输入。

4 结束语

本文基于嵌入式硬件系统，以及WinCE系统，详细设计了码垛机器人人机界面。通过对比目前的机器人人机界面产品，设计了更加灵活、功能更加全面、能够自由定制码垛工艺的人机操作界面。有选择性的介绍了码垛应用所需的主要的功能画面，及画面跳转逻辑设计。软件上采用面向对象编程技术，极大提高了代码的重用率，缩短了界面开发周期，成功应用在了公司的码垛机器人系统，验证了人机界面设计包括程序设计的可用性和可靠性。

参考文献：

[1] 张海平，陈彦. Wincc在打包机人机界面中的设计与应用[J].HMI与工业软件，2012（3）：70-72.

[2] 朱华栋，孔亚广.嵌入式人机界面的设计[J]. 中国水运，2008（11）：125-126.

[3] 金长新，李伟.基于Windows CE的车载电脑系统人机界面的实现[J].微计算机信息，2005（21）：132-134.

[4] 赵玉新.浅谈软件人机界面的评估方法及其应用[J].电脑知识与技术，2011（7）： 365-367.

[5] 库伯，瑞宁，克洛林. About Face 3 交互设计精髓[M].北京：电子工业出版社，2008.

[6] 高磊，王洪滨.Windows CE系统开发高级编程与典型实例[M].北京：中国电力出版社，2011.endprint

2.1 软件开发系统

软件开发环境基于Visual Studio 2008的C++语言开发，并结合系统带有的SDK函数，开发基于WinCE嵌入式系统的人机操作系统[5] [6]。

2.2 人机界面流程设计

通常对于码垛系统，根据机器人搬运特性，由启动界面进入，显示公司LOGO，读取机器人身份信息，若不成功，则显示手动输入画面，否则，进入密码输入画面，获取权限等级。权限获取成功后，自动进入控制系统内部校验程序，校验通过后，根据当前模式，选择相应的页面操作。具体流程图如图2所示。

根据多年的现场的客户需求调研，本人机操作界面可以划分如下图3所示关系网。

首先由主程序窗口调用相关的外部状态信息IO，获取当前机器人状态，比如手自动状态、用户权限状态等，有选择的进入相应操作界面。

若当前为离线编辑信号IO触发，则进入MUnSearch或MSearch界面，若触发用户权限信号IO，则进入LogIn 界面升级用户权限，若信号IO变为在线状态，则触发AUnSearch或ASearch界面，进入在线监控功能。而对于离线状态或在线监控状态，分别根据机器人当前的编码器位置状态，选择进入相应的功能界面。

若此时进入MUnSearch界面，可以对机器人任意移动；若是MSearch界面，可以对机器人离线编程；若是ASearch界面，可以对机器人在线监控，如修改速度、过程查看等。

3 人机界面设计及实现

本节将重点介绍主要的人机操作界面，包括紧急状态下的机器人移动界面、工艺参数配置界面、垛型参数编辑界面、在线监控界面。

3.1 机器人移动界面

当机器人出现故障，不能自动移动位置时，比如碰到硬件限位或出现碰撞现象时，此时可以进入手动页面，选择机器人操作，移动机器人到指定位置。

图4中，可以查看输入信号和输出信号；可以选择移动的方向，比如前后、上下、旋转等；可以调整抓手的运转速度，比如微速、低速以及中速；也可以选择机器人的运转方向，功能的设置基本可以满足操作机器人的最低需求。

3.2 码垛工艺配置界面

对于新建码垛工艺线，需要配置系统参数、位置信息、以及产品参数，等必要的信息。

图5中提供了机器人类型、输入输出、行程相关设置等信息。满足机器人搬运工艺设置的要求。

图6中提供了码垛数据编辑与创建的功能，产品覆盖了袋子、箱子，以及可变数量抓取的功能。可以添加产品数量，改变产品方向，单步数量修改，产品位置移动以及旋转等设置。本页面中，示例生成了每层五包的袋装产品，编号从1到5，可以通过调整编号的顺序，达到改变产品的实际码垛顺序。

3.3 在线监控系统

在线监控系统能够实时响应机器人中断需求，以及必要数据显示与输入。图7中提供了输入与输出信号显示，产品类型以及码垛线程监视，以及码垛过程参数显示和输入。

4 结束语

本文基于嵌入式硬件系统，以及WinCE系统，详细设计了码垛机器人人机界面。通过对比目前的机器人人机界面产品，设计了更加灵活、功能更加全面、能够自由定制码垛工艺的人机操作界面。有选择性的介绍了码垛应用所需的主要的功能画面，及画面跳转逻辑设计。软件上采用面向对象编程技术，极大提高了代码的重用率，缩短了界面开发周期，成功应用在了公司的码垛机器人系统，验证了人机界面设计包括程序设计的可用性和可靠性。

参考文献：

[1] 张海平，陈彦. Wincc在打包机人机界面中的设计与应用[J].HMI与工业软件，2012（3）：70-72.

[2] 朱华栋，孔亚广.嵌入式人机界面的设计[J]. 中国水运，2008（11）：125-126.

[3] 金长新，李伟.基于Windows CE的车载电脑系统人机界面的实现[J].微计算机信息，2005（21）：132-134.

[4] 赵玉新.浅谈软件人机界面的评估方法及其应用[J].电脑知识与技术，2011（7）： 365-367.

[5] 库伯，瑞宁，克洛林. About Face 3 交互设计精髓[M].北京：电子工业出版社，2008.

[6] 高磊，王洪滨.Windows CE系统开发高级编程与典型实例[M].北京：中国电力出版社，2011.endprint