CN110977983B - 用于机械臂控制的人机界面系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于机械臂控制的人机界面系统，包括分别与信息处理模块连接的页面显示模块、通讯连接模块、参数设定模块、编程模块、程序文件模块。所述编程模块包括程序存储子模块、编程子模块，所述程序存储子模块用于存储根据机械臂及非标轴编程中常用功能提取封装得到的若干功能块，若干所述功能块均以功能块图标的形式显示在所述页面显示模块上以供用户选择。所述编程子模块用于根据用户选择拖拽的功能块图标和在参数设定模块设定的基本参数形成机械臂及非标轴运行流程的图形化程序。本发明的人机界面系统快速方便地实现了对机械臂及非标轴的控制，降低了对操作人员编程能力的要求，简化了人机界面系统的操作。

Description

用于机械臂控制的人机界面系统

技术领域

本发明涉及人机界面控制技术领域，尤其涉及一种用于机械臂控制的人机界面系统。

背景技术

机械臂是一种在工业生产中代替人工完成某些单调、频繁和重复的长时间作业的自动化装置，能按照设定的程序、轨迹和要求执行监控、抓取、搬运等工作。机械臂控制人机界面是用于实现人与机械臂的信息交互，便于操作人员控制和调度机械臂动作。但现有的人机界面系统在实际使用时存在如下问题：

(1)编程界面复杂，在更改机械臂运行轨迹时需要具备较高编程能力的专业人员来操作；而且由于机械臂在运行时会有许多重复动作，在编程时需要多次编写相同的代码，重复编写容易导致出错率变高；

(2)在机械臂增加非标轴时，需要额外对非标轴进行位置控制或等待IO信号进行通讯，导致机械臂与非标轴不能同步通讯，效率较低。

发明内容

为克服上述缺点，本发明的目的在于提供一种用于机械臂控制的人机界面系统，将机械臂、非标轴结合为整体来控制，实现了机械臂与非标轴的同步通讯，提高了工作效率；而且通过图形化逻辑编程快速方便地实现了对机械臂及非标轴的控制，降低了对操作人员编程能力的要求，简化了人机界面系统的操作。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种用于机械臂控制的人机界面系统，包括分别与信息处理模块连接的页面显示模块、通讯连接模块、参数设定模块、编程模块、程序文件模块；

所述信息处理模块用以处理所述通讯连接模块、参数设定模块、编程模块传输的数据，并将处理过程中的数据信息存储到所述程序文件模块中，将通讯连接模块、参数设定模块、编程模块的状态信息和结果信息以文本或图像形式显示到所述页面显示模块的人机界面上；

所述通讯连接模块用于建立所述信息处理模块与机械臂、非标轴之间的通讯连接以获取机械臂、非标轴的位置信息和动作信息；

所述参数设定模块用于设定机械臂、非标轴的基本参数；

所述编程模块包括程序存储子模块、编程子模块，所述程序存储子模块用于存储根据机械臂及非标轴编程中常用功能提取封装得到的若干功能块，若干所述功能块均以功能块图标的形式显示在所述人机界面上以供用户选择；所述编程子模块用于根据用户选择拖拽的功能块图标和在参数设定模块设定的基本参数形成机械臂及非标轴运行流程的图形化程序。

本发明的有益效果在于：通过通讯连接模块建立了与机械臂、非标轴的通讯连接，将机械臂、非标轴结合为整体来控制，实现了机械臂与非标轴的同步通讯，提高了工作效率；通过编程模块封装的若干功能块能快速方便地实现了对机械臂及非标轴的控制，降低了对操作人员编程能力的要求，简化了人机界面系统的操作。

进一步来说，所述人机界面包括首页界面、参数设定界面、编程界面；所述首页界面上设有指令交互接口，用以用户根据信息处理模块处理的结果信息向通讯连接模块发送执行指令；所述参数设定界面上设有参数交互接口用以用户对机械臂、非标轴的基本参数进行设定；所述编程界面上设有编程交互接口用以用户进行图形化编程。

进一步来说，所述通讯连接模块包括建立机械臂、非标轴的工控机与所述信息处理模块通讯连接的底层接口；所述底层接口的算法层包括机械臂运行算法、非标轴插值算法、连续轨迹算法，所述底层接口的调用层用于解析所述信息处理模块发送的执行指令并控制算法层运行。

进一步来说，所述底层接口采用websocket通讯协议以进行机械臂、非标轴的工控机与所述信息处理模块之间的通讯，所述底层接口的调用层采用lua语言解析脚本以解析所述信息处理模块发送的执行指令。这种通讯方式拥有更强的实时性、较少的控制开销，并且使用方便，更易操作。

进一步来说，所述功能块以树形图结构的形式划分为不同层级的执行级别，位于上层执行级别的功能块能通过逻辑互锁的形式与位于下层执行级别的功能块连接以构建直观逻辑关系。通过逻辑互锁形式降低了编程出错率，节省了控制程序编写的时间，提高了工作效率。

进一步来说，所述程序存储子模块在每层执行级别中还设有供用户自行编写代码的自定义块图，所述自定义块图能以逻辑互锁形式与任一上层执行级别或下层执行级别的所述功能块/自定义块图进行连接。通过自定义块图可供用户自行编写代码，再通过逻辑互锁形式能将用户自行编写的代码与系统自带的功能块整合为一体。

进一步来说，所述功能块图标按照不同的执行级别设置不同的颜色以便于用户区分。

进一步来说，若干个所述功能块包括但不限于基本动作功能块、定时功能块、变量设置功能块、条件判断功能块、循环功能块、函数调用功能块。

进一步来说，还包括与所述信息处理模块连接的IO诊断模块，所述IO诊断模块用于诊断IO板与机械臂及非标轴的工控机之间的IO连接情况。

附图说明

图1为本发明实施例的结构框图；

图2为本发明实施例的系统运行流程图；

图3为本发明实施例的首页界面运行的照片；

图4为本发明实施例的参数设定界面运行的照片；

图5为本发明实施例的编程界面运行的照片；

图6为本发明实施例的编程界面的点到点功能块的参数设定界面的照片；

图7为本发明实施例的IO诊断界面运行的照片；

图8为本发明实施例的程序文件界面运行的照片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例

参见附图1-2所示，本发明的一种用于机械臂控制的人机界面系统，采用GoogleBlockly图形化编程语言，lua语言解析，解析后采用javascript进行编写，底层基于linuxX86架构，并利用C++语言进行编写。该人机界面系统包括信息处理模块，所述信息处理模块分别与页面显示模块、通讯连接模块、参数设定模块、编程模块、IO诊断模块、程序文件模块连接。

所述信息处理模块用以接收并处理所述通讯连接模块、参数设定模块、编程模块、IO诊断模块传输的数据，并将处理过程中的数据信息存储到所述程序文件模块中，将通讯连接模块、参数设定模块、编程模块、IO诊断模块的状态信息和结果信息以文本或图像形式显示到所述页面显示模块的人机界面上。

所述人机界面包括首页界面、程序文件界面、参数设定界面、编程界面、IO诊断界面。所述首页界面上设有指令交互接口，用以用户根据信息处理模块处理的结果信息向通讯连接模块发送执行指令，所述程序文件界面上设有文件交互接口用以用户对数据信息进行管理；所述参数设定界面上设有参数交互接口用于用户对机械臂、非标轴的基本参数进行设定；所述编程界面上设有编程交互接口用于用户进行图形化编程；所述IO诊断界面上设有IO交互接口用以用户手动更改输出信号的状态。

所述IO诊断模块用于诊断IO板与机械臂及非标轴的工控机之间的IO连接情况。

所述通讯连接模块用以与机械臂、非标轴进行通讯，其包括底层接口。所述底层接口通过websocket通讯协议进行机械臂、非标轴的工控机与所述信息处理模块的通讯连接，即用网线连接PC端与机械臂及非标轴的工控机，然后打开任意浏览器，在浏览器中输入设置好的工控机的IP地址，以此实现信息处理模块与机械臂、非标轴的通讯，这种通讯方式连接简单，通讯实时性强，而且在底层接口上预设与非标轴的通讯连接口，在机械臂需要外接非标轴时，只需将非标轴与机械臂的工控机连接即可快速建立起信息处理模块与非标轴的通讯连接，实现非标轴与机械臂的同步通讯，提高工作效率。

所述底层接口的通讯层采用Ethercat通讯协议以建立机械臂、非标轴与工控机之间的通讯。所述底层接口的调用层采用lua语言解析脚本解析所述信息处理模块发送的执行指令并进行算法层、工艺层之间的调度。所述工艺层包括机械臂、非标轴的所有基本工艺(如点到点、直线、圆弧等工艺)，所述算法层以所述工艺层中的基本工艺为基础制定机械臂算法、运动学、动力学、非标轴插值算法及连续轨迹算法等算法。通过底层接口的设置实现了机械臂、非标轴工控机与信息处理模块的通讯连接，便于信息处理模块接收机械臂、非标轴的实时坐标信息及动作信息，同时能将指令交互接口的执行指令传输给机械臂、非标轴的工控机以控制机械臂、非标轴动作。

所述参数设定模块用于设定机械臂及非标轴的基本参数，所述基本参数通过参数交互接口以供用户自行设定。所述机械臂的基本参数包括关节最大速度、关节角限位(软限位)、零点标定、IO定义，所述非标轴的基本参数包括非标轴最大速度、非标轴角度限制、非标轴零点标定、非标轴方向、齿轮比(减速比)。当机械臂需要外接非标轴时，用户在参数交互接口上设定非标轴的基本参数，信息处理模块接收到这些非标轴的基本参数并将其保存为JSON格式的文件以传输给底层接口，底层接口通过调用层进行数据筛选并与对应的非标轴进行连接，以获取该非标轴的位置和需求，从而达到对非标轴的控制。

所述编程模块包括程序存储子模块、编程子模块，所述程序存储子模块用于存储根据机械臂及非标轴编程中常用功能提取封装得到的若干功能块，若干所述功能块均以功能块图标的形式显示在编程交互接口上。所述编程子模块用于根据用户在编程交互接口选择、拖拽的功能化图标和在参数交互接口设定的基本参数形成控制机械臂及非标轴运行流程的图形化程序。

所述功能块主要包括基本动作功能块、定时功能块、变量设置功能块、条件判断功能块、循环功能块、函数调用功能块，其按树形图结构能划分为不同层级的执行级别，位于上层执行级别的功能块能通过逻辑互锁的形式与位于下层执行级别的功能块连接以构建直观逻辑关系。所述程序存储子模块在每层执行级别中还设有供用户自行编写代码的自定义块图，所述自定义块图能以逻辑互锁形式与任一上层执行级别或下层执行级别的所述功能块/自定义块图进行连接。通过逻辑互锁的形式避免了同层执行级别的功能块的连接，降低了编程出错率。

在编程交互接口中，为了便于查看不同执行级别的功能块及自定义图块，对每一层级的功能块图标设置特定的颜色，不同层级的功能块图标颜色不同。

编程交互接口包括了用以显示若干个功能块的功能块列表、用以图形化编程的编程区，使用时，用户只需在功能块列表中选择需要的功能块并将其拖拽至编程区进行参数设置即可。例如，在功能块列表中选择拖拽变量功能块至编程区内，在编程区内即可对变量进行命名、赋值等操作。

参见附图3-8所示，本发明的人机界面系统运行流程如下：

S1:用网线连接PC端与机械臂及非标轴的工控机，然后打开PC端任意浏览器，在浏览器中输入设置好的工控机IP地址，按下回车键后，进入到人机界面的首页界面中；

S2:通过首页界面左侧的切换窗口可切换至程序文件界面、参数设定界面、编程界面、IO诊断界面，通过首页界面右侧上方的窗口可查看通讯连接模块发送的机械臂、非标轴的实时坐标信息，通过在首页界面右侧下方的窗口输入自定义的坐标信息可控制机械臂、非标轴进行快速移动；通过首页界面右侧中部的指令按钮能向通讯连接模块发送“启动”、“急停”、“复位”等执行指令；

S3：通过切换窗口进入到参数设定界面，参数设定界面的左侧为切换窗口，右侧为用以设定机械臂、非标轴基本参数的参数交互接口，在设定好基本参数后通过切换窗口切换至编程界面；

S4：编程界面的左侧为切换窗口、右侧为编程区，切换窗口与编程区之间设有用于显示所有功能块的功能块列表，用户可在功能块列表中选择功能块并将其拖拽至编程区内进行图形化编程；在编程区的下方设有与首页界面功能相同的指令按钮用以快速向通讯模块发送执行指令；

以四轴机械臂在笛卡尔坐标系下进行点到点运动为例，选择基础动作功能块下的点到点功能块，跳转至点到点参数设置窗口对点到点功能块的参数进行设置，窗口的右侧界出现代表当前非标轴示教的点位数值J(这个数值可以是角度也可以是位移，其是在参数设定界面中根据电机位数与减速比得到的)；在窗口左侧可对机械臂与非标轴的速度模式、速度、时间进行设置，机械臂与外部轴的插补模式有两种：插补和同动，插补即机械臂与非标轴以相同的速度模式、相同的速度、相同的加速时间进行运动，达到同起同停的效果，而同动则是分别对机械臂与非标轴进行不同的速度、插补时间的设置。在设置好上述参数后，将该点到点功能块拖拽至编程区与其他功能块实现互锁，在运行程序时，该点到点功能块即可通过底层接口获取非标轴的位置和需求，实现对非标轴的控制。

S5:切换至IO诊断界面，IO诊断模块根据IO的连接情况，在IO诊断界面上自动显示为16输入16输出或32输入32输出，在IO交互接口上设有ON/OFF开关用以用户手动更改输出信号的状态。

S6：切换至程序文件界面，显示系统运行中的全部数据信息，在程序文件界面上设有“添加”、“复制”、“粘贴”、“删除”等文件交互接口可对系统运行过程中的数据信息进行处理。

以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于机械臂控制的人机界面系统，包括分别与信息处理模块连接的页面显示模块、通讯连接模块、参数设定模块、编程模块、程序文件模块；其特征在于：

所述信息处理模块用以处理所述通讯连接模块、参数设定模块、编程模块传输的数据，并将处理过程中的数据信息存储到所述程序文件模块中，将通讯连接模块、参数设定模块、编程模块的状态信息和结果信息以文本或图像形式显示到所述页面显示模块的人机界面上；

所述通讯连接模块用于建立所述信息处理模块与机械臂、非标轴之间的通讯连接以获取机械臂、非标轴的位置信息和动作信息；

所述参数设定模块用于设定机械臂、非标轴的基本参数；

所述编程模块包括程序存储子模块、编程子模块，所述程序存储子模块用于存储根据机械臂及非标轴编程中常用功能提取封装得到的若干功能块，若干所述功能块均以功能块图标的形式显示在所述人机界面上以供用户选择；所述编程子模块用于根据用户选择拖拽的功能块图标和在参数设定模块设定的基本参数形成机械臂及非标轴运行流程的图形化程序。

2.根据权利要求1所述的人机界面系统，其特征在于：所述人机界面包括首页界面、参数设定界面、编程界面；所述首页界面上设有指令交互接口，用以用户根据信息处理模块处理的结果信息向通讯连接模块发送执行指令；所述参数设定界面上设有参数交互接口用以用户对机械臂、非标轴的基本参数进行设定；所述编程界面上设有编程交互接口用以用户进行图形化编程。

3.根据权利要求2所述的人机界面系统，其特征在于：所述通讯连接模块包括建立机械臂、非标轴的工控机与所述信息处理模块通讯连接的底层接口；所述底层接口的算法层包括机械臂运行算法、非标轴插值算法、连续轨迹算法，所述底层接口的调用层用于解析所述信息处理模块发送的执行指令并进行算法层、工艺层的调度。

4.根据权利要求3所述的人机界面系统，其特征在于：所述底层接口采用websocket通讯协议以进行机械臂、非标轴的工控机与所述信息处理模块之间的通讯，所述底层接口的调用层采用lua语言解析脚本以解析所述信息处理模块发送的执行指令。

5.根据权利要求1-4任一所述的人机界面系统，其特征在于：所述功能块以树形图结构的形式划分为不同层级的执行级别，位于上层执行级别的功能块能通过逻辑互锁的形式与位于下层执行级别的功能块连接以构建直观逻辑关系。

6.根据权利要求5所述的人机界面系统，其特征在于：所述程序存储子模块在每层执行级别中还设有供用户自行编写代码的自定义块图，所述自定义块图能以逻辑互锁形式与任一上层执行级别或下层执行级别的所述功能块/自定义块图进行逻辑连接。

7.根据权利要求5所述的人机界面系统，其特征在于：所述功能块图标按照不同的执行级别设置不同的颜色以便于用户区分。

8.根据权利要求5所述的人机界面系统，其特征在于：若干个所述功能块包括但不限于基本动作功能块、定时功能块、变量设置功能块、条件判断功能块、循环功能块、函数调用功能块。

9.根据权利要求1所述的人机界面系统，其特征在于：还包括与所述信息处理模块连接的IO诊断模块，所述IO诊断模块用于诊断IO板与机械臂、非标轴的工控机之间的IO连接情况。

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