CN102166752A

CN102166752A - 用于焊接机器人的人机交互方法和实施装置

Info

Publication number: CN102166752A
Application number: CN 201110023122
Authority: CN
Inventors: 赵洁; 胡绳荪; 陈昌亮; 申俊琦; 王刚
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2011-01-20
Filing date: 2011-01-20
Publication date: 2011-08-31

Abstract

本发明涉及利用机器人进行焊接。为避免传统示教盒系统复杂、设计开发周期长、键盘输入数据自由度低等不足，能方便的实现机器人运动轨迹示教、机器人焊接过程轨迹与参数实时调整以及关键参数实时显示等，本发明采用的技术方案是，用于焊接机器人的人机交互方法，包括下列步骤：借助于人机交互HMI(Human Machine Interaction)硬件，将焊前设定、焊时调整、补焊、自动焊接传输到机器人控制器；在机器人控制器上，根据人机交互HMI(Human Machine Interaction)传输过来的命令，控制焊接机器人自身运动，完成焊前设定、焊时调整、补焊、自动焊接工作。本发明主要应用于操作焊接机器人。

Description

用于焊接机器人的人机交互方法和实施装置

技术领域

本发明涉及利用机器人进行焊接。具体讲涉及用于焊接机器人的人机交互方法和实施装置。

背景技术

随着机器人技术的发展，机器人应用领域的不断扩大，尤其是在焊接领域，机器人的需求越来越大，特别是根据焊接加工工件的需求，各种专用焊接机器人开发研究和应用越来越多，因此，对焊接机器人控制器以及机器人焊接的人机交互系统的需求也越来越多。

示教盒是机器人人机交互的重要设备，利用示教盒可以完成机器人运动轨迹的示教以及相关焊接参数的设定与调整等，是实现机器人和操作者人机交互的重要工具。由于示教操作一股是通过人手握示教盒完成的，又可以将示教盒称为手操盒或遥控器。

传统机器人控制的示教盒可以进行示教、计算、程序编辑等，然后将其计算及编辑的结果发送给机器人控制器，控制机器人的运动等。

以往的专用焊接机器人开发研制与应用中，示教盒一股以单片机、ARM芯片、单板机等作为示教盒的核心器件，并配有所需的外围电路等；示教盒的输入由按钮、薄膜按键发展到触摸屏；相关参数的显示由数码管(显示精度有限)逐步演变为液晶显示屏。传统的按键或键盘输入及数码显示方式都不能满足现代机器人焊接的人机交互需求。

传统意义的示教盒系统虽然能够实现程序编辑等功能，但都需要经过计算处理器、控制电路、键盘、显示屏、电源、盒体等硬件组成，并需要进行相应的软件数据处理等程序设计，示教盒系统复杂、成本高、开发设计周期长，不适合低成本专用焊接机器人的开发与应用。

发明内容

为克服现有技术的不足，避免传统示教盒系统复杂、设计开发周期长、键盘输入数据自由度低等不足，本发明提供了一种用于低成本焊接机器人的人机交互方法和设备，可以方便的实现机器人运动轨迹示教、焊接参数预置、机器人焊接过程轨迹与参数实时调整以及关键参数实时显示等，本发明采用的技术方案是，用于焊接机器人的人机交互方法，其特征是，包括下列步骤：

采用通用人机交互HMI(Human Machine Interaction)装置作为机器人示教盒，通过人机交互HMI上的人机交互界面，将机器人焊接中的功能触发信号传输到机器人控制器；

在机器人控制器上，根据人机交互HMI装置传输过来的命令，控制焊接机器人的运动和焊接参数，完成机器人焊接、示教工作。

所述通过人机交互HMI上的人机交互界面是，先设计切换基本窗口界面，切换基本窗口界面包括有焊前设定、焊时调整、补焊、自动焊接、示教再现五种工作模式，一种模式对应一个窗口界面，使用户能够在不同工作模式的界面间切换并能够在任一种工作模式界面上进行相关操作；

将设计的切换基本窗口界面文件，下载写入通用人机交互HMI装置，使切换基本窗口界面程序在通用人机交互HMI装置中运行。

一种用于焊接机器人的人机交互装置，人机交互HMI装置与机器人控制器共同构成人机交互系统，人机交互HMI装置主要用于显示基本窗口界面和传输功能触发信号；

机器人控制器根据人机交互HMI装置传输过来的命令，控制焊接机器人的运动和焊接参数，完成机器人焊接、示教工作。

人机交互HMI装置通过串行通信接口与机器人控制器相连接；人机交互HMI装置通过其上设置的人机交互界面，向用户显示包括有焊前设定、焊时调整、补焊、自动焊接、示教再现五种工作模式的基本窗口界面，并将用户在基本窗口界面上选择的与操作焊接机器人相关的功能触发信号传输到机器人控制器。

本发明具有如下技术效果：

通过本发明提供的一种用于专用焊接机器人的人机交互方法和实施装置，人机交互HMI装置——示教盒通过机器人控制器——工业计算机间接控制了机器人的焊接过程，人机交互HMI装置可以取代传统示教盒进行机器人焊接过程中的简易操作，满足了实际应用的需要。该示教盒人机交互系统设计简单、成本低、开发设计周期短，界面输入的灵活性强、可输入的自由度大。另外，该方法首次实现了人机交互HMI装置与计算机之间的通信，为低成本焊接机器人示教盒的开发提供了一种设计思路。

附图说明

图1是本发明的一种用于焊接机器人的人机交互方法的流程图；

图2是图1中人机交互HMI装置与机器人控制器通信过程中触摸屏发送功能码，工控机读屏操作的程序流程图；

图3是图1中人机交互HMI装置与机器人控制器通信过程中触摸屏接收功能码，工控机写屏操作的程序流程图；

图4是组态软件设计的人机交互主界面；

图5是不同工作模式下界面的具体功能说明。

具体实施方式

为克服现有技术的不足，避免传统示教盒系统复杂、设计开发周期长、键盘输入数据自由度低等不足，本发明提供了一种用于焊接机器人的人机交互方法和实施装置，所述方法包括以下步骤：

(1)采用通用人机交互HMI装置作为示教盒硬件，与机器人控制器共同构成人机交互系统；

(2)用HMI专用组态软件设计示教盒人机交互的多个界面，用于实现机器人焊接人机交互功能；

(3)编写通信程序实现示教盒与机器人控制器之间的通信；

(4)应用机器人控制器的编程环境，编写人机交互对应的功能代码及相关计算与控制等程序，实现所需人机交互控制功能。

步骤(1)中所述采用通用人机交互HMI装置作为示教盒硬件，与机器人控制器共同构成人机交互系统，具体为：示教盒主要硬件选用通用的人机交互HMI装置，硬件简单、通用性强，采用特有的独立运行的专用画面组态软件平台；人机交互方法避免了传统示教盒系统设计过程的复杂性，该示教盒人机交互系统设计简单、成本低、开发设计周期短；示教盒主要负责人机交互，控制器主要负责复杂计算与机器人运动控制等，共同完成焊接、示教等控制功能。

步骤(2)中所述用HMI专用组态软件设计示教盒人机交互的多个界面，具体为：HMI组态方式丰富灵活，人机界面采用多页面切换的方式工作，不同工作模式对应不同界面，界面输入的灵活性强、可输入的自由度大。

步骤(3)中所述编写通信程序实现示教盒与机器人控制器之间的通信，具体为：示教盒与机器人控制器在硬件上通过串口连接；设置串口参数并打开串口；通过串口接收或发送数据；验证相应指令。

步骤(4)中所述应用机器人控制器的编程环境，编写人机交互对应的功能代码及相关计算与控制等程序，实现所需人机交互控制功能，具体为：在计算机某一操作系统下、某一编程环境下，编写示教盒界面上各控件对应的功能代码及相关计算与控制等程序，最终实现所需功能。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用于限制本发明的范围。

为满足结构开放性要求，人们逐渐采用工业计算机IPC(Industry Personal Computer)作为机器人控制器。所述控制系统使用工业计算机(工控机)作为控制核心，专用焊接机器人控制系统的开发基于某一种操作系统，通常为Windows系统或者DOS(Disk Operating System，磁盘操作系统)系统，在某一种编程软件平台下，如VC(Visual C++)、VB(Visual Basic)、Visual Studio等，对焊接机器人人机交互系统进行功能设计。

研究的控制系统使用工控机作为控制核心，如基于PC控制的焊接机器人等，控制系统的开发基于Windows操作系统，在VC编程软件平台下，对机器人加工人机交互系统进行功能设计。人机交互HMI装置采用触摸屏输入方式，常被称为“触摸屏”，型号选用MT8070ih，对应组态软件为EB8000，人机交互设备的组态软件可称为VC编程软件的二次开发平台。

本发明的一种用于焊接机器人的人机交互系统的设计过程流程图如图1所示，包括四个步骤：(1)用HMI专用画面组态软件设计人机交互HMI装置上运行的多个界面；(2)在工控机的编程环境下，编写人机交互界面对应的功能代码；(3)通过编写通信程序实现人机交互HMI装置与机器人控制器之间的通信；(4)根据对应的功能代码进行人机交互控制，实现示教盒的功能。

人机交互HMI装置包含HMI硬件和相应的专用画面组态软件，一股情况下，不同类型的HMI装置使用不同的画面组态软件。步骤(1)具体为，先在计算机上设计切换基本窗口界面，切换基本窗口界面包括有焊前设定、焊时调整、补焊、自动焊接、示教再现五种工作模式，一种模式对应一个窗口界面，使用户能够在不同工作模式的界面间切换并能够在任一种工作模式界面上进行相关操作；然后将设计的切换基本窗口界面文件，下载写入通用人机交互HMI装置，使切换基本窗口界面程序在通用人机交互HMI装置中运行。

组态软件所设计的人机界面中某控件的功能最终通过编程软件的程序代码实现。步骤(2)具体为：在计算机Windows操作系统VC编程环境下，编写人机界面上各控件对应的VC功能代码及相关计算与控制等程序。

步骤(3)具体为，人机交互HMI装置与工控机通过串口连接；设置串口参数并打开串口；通过串口接收或发送数据；验证相应指令。

本发明将机器人示教盒(人机交互HMI装置)与工控机(机器人控制器)作为一个整体，步骤(4)中机器人示教盒和工控机共同组成人机交互系统，示教盒主要负责人机交互，工控机主要负责复杂计算与机器人运动控制等，两者共同实现机器人运动轨迹示教、焊接参数预置、机器人焊接过程轨迹与参数实时调整以及关键参数实时显示等功能。

图1中用组态软件设计人机界面步骤包括：

设置触摸屏HMI系统参数。设备类型设为MODBUS SEVER(即触摸屏为从站，工控机为主站)，通讯口类型、波特率、数据位、停止位、校验位、站号等其它参数的设置应与工控机上编程软件程序中相应参数的设置保持一致；

构建主界面和各个工作模式下的界面及控件。用户通过模块化组合的简单方式来完成自己所需要的软件功能。其中，“位状态设置”、“位状态切换”、“功能键”控件皆可以根据要求使用宏指令，从而向串口发送数据；“位状态显示”控件可以从串口接收数据并显示；

切换基本窗口界面。该人机界面设计有焊前设定、焊时调整、补焊、自动焊接、示教再现五种工作模式，一种模式对应一个窗口界面，用户可在不同工作模式的界面间切换；

下载写入触摸屏HMI。工程文件编辑完后保存，并成功编译该工程文件，在完成离线模拟动作确认界面规划结果无误后，将生成的XOB文件通过USB线下载写入触摸屏HMI中，该画面程序即可在触摸屏HMI中运行。

图2和图3是图1中人机交互HMI装置与机器人控制器通信过程的流程图。

通信过程用到串行通讯协议MODBUS RTU和串行通信物理接口标准RS232/485。

MODBUS协议是目前应用于电子控制器上的一种全球工业领域最流行的通用语言、工业标准。通过此协议，工控机和人机交互HMI装置之间可以通信，两者必须选择相同的传输模式和串口参数。MODBUS数据通信采用Maser/Slave方式工作，可以实现双向读写，可靠性较好。另外，这里采用传输效率较高的RTU(远程终端设备)传输模式，该模式采用CRC-16(循环冗余错误校验)方式校验码。MODBUS RTU格式数据包括设备地址、功能码(读/写)、起始寄存器地址、寄存器内数据、CRC校验码。

RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，一股用于20m以内的通信；RS-485采用平衡发送和差分接收，具有抑制共模干扰的能力，在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用。这里，可以根据需要增设一个RS232/485转换器。

由于MODBUS地址与HMI寄存器地址存在映射关系，触摸屏作为MODBUS Server设备类型时，可以使用MODBUS协议读写HMI的LW/LB/RW地址形式的控件。将HMI控件信息，包括设备地址、功能码(读/写)、起始寄存器地址、寄存器内数据和CRC校验码，转化为VC能识别的MODBUS功能码，VC可以和HMI组态软件实现通话，即机器人控制器——工控机可以读写触摸屏HMI。

图2是触摸屏发送功能码，工控机读屏操作的程序流程图，编程主要思路为将HMI某控件相关信息转换为MODBUS功能码，赋给某个数组变量并通过串口发送给PC。根据通信函数接收到的功能码中的数据位判断控件是否按下，如若为0XFF，对应控件按下状态，执行相应响应指令；若为0X00，对应该控件弹起状态，不操作。该步骤包括：

触摸屏和工控机同时上电初始化，工控机上进行串口参数设置，并打开串口；

按下触摸屏上某控件时，执行宏指令，从通讯串口输出数据；

工控机循环扫描串口，检测串口缓冲区内是否有字符；若有，进行读串口操作，得到MODBUS功能码，若无，继续扫描；

然后判断某对应按钮是否按下；若是，执行按钮按下相应指令，完成功能后继续扫描；若否，继续扫描。

图3是触摸屏接收功能码，工控机写屏操作的程序流程图；

按下工控机上某按钮时，向通信串口发送MODBUS码，进行写屏操作；

触摸屏从串口读取数据，判断显示元件是否显示，若是，显示；若否，继续扫描。

图4是组态软件设计的人机交互主界面。

图5是不同工作模式下界面的具体功能说明。

五种不同工作模式下的窗口界面可以实现不同功能。HMI上按下某个位状态控件时，向串口发送记录该点位置的信号，基于采集到的多个位置点信息及相关计算与控制等程序，通过简单编程可以实现轨迹示教及修改理论曲线的功能。另外，焊枪沿轨迹曲线前进或后退过程中，记录需要补焊的起点、终点位置，从而可以实现补焊功能。而且能够控制机器人焊枪各方向的运动，包括上下、径向、周向运动及径向、周向倾角的运动，可用于焊前进行位姿调整，焊接过程中轨迹的实时调整。此外，还可以实现基本焊接参数的实时显示与微调。

通过本发明提供的一种用于焊接机器人的简易人机交互方法和实施装置，示教盒和工控机共同组成的人机交互系统可以控制机器人的焊接过程，人机交互HMI装置可以取代传统示教盒进行机器人焊接过程中的简易操作。而且该示教盒人机交互系统设计简单、成本低、开发设计周期短，界面输入的灵活性强、可输入的自由度大。另外，该方法首次实现了人机交互HMI装置与计算机之间的通信，为低成本焊接机器人示教盒的开发提供了一种设计思路。

由此可见，本发明实施例提供的方法是可行的，可以满足实际应用中的需要。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于焊接机器人的人机交互方法，其特征是，包括下列步骤：

2.根据权利要求1所述的一种用于焊接机器人的人机交互方法，其特征是，所述通过人机交互HMI上的人机交互界面是，先设计切换基本窗口界面，切换基本窗口界面包括有焊前设定、焊时调整、补焊、自动焊接、示教再现五种工作模式，一种模式对应一个窗口界面，使用户能够在不同工作模式的界面间切换并能够在任一种工作模式界面上进行相关操作；

3.一种用于焊接机器人的人机交互装置，其特征是，人机交互HMI装置与机器人控制器共同构成人机交互系统，人机交互HMI装置主要用于显示基本窗口界面和传输功能触发信号；

4.根据权利要求3所述的一种用于焊接机器人的人机交互装置，其特征是，人机交互HMI装置通过串行通信接口与机器人控制器相连接；人机交互HMI装置通过其上设置的人机交互界面，向用户显示包括有焊前设定、焊时调整、补焊、自动焊接、示教再现五种工作模式的基本窗口界面，并将用户在基本窗口界面上选择的与操作焊接机器人相关的功能触发信号传输到机器人控制器。