基于C#語言的ABB機器人工作站的設(shè)計與實現(xiàn)

錢新

摘要：近幾年，越來越多的公司采購并使用工業(yè)機器人，使得生產(chǎn)效率大幅提高。但是，傳統(tǒng)的“示教器+控制柜+機器人本體”的組合在界面可視化、數(shù)據(jù)再處理部分有很大不足。基于此，文章依托ABB工業(yè)機器人設(shè)計了一種基于C#語言的工作站，可以實現(xiàn)工業(yè)機器人的基礎(chǔ)控制、狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)讀寫與展示。

關(guān)鍵詞：C#語言；ABB工業(yè)機器人；二次開發(fā)；工作站設(shè)計；工業(yè)應(yīng)用

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）06-0012-03

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）

0 引言

在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革背景下，越來越多的公司引入了工業(yè)機器人來優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，尤其在裝配、碼垛、搬運產(chǎn)線上，工業(yè)機器人得到了越來越多的應(yīng)用[1-2]。作為機電一體化技術(shù)的集大成者，現(xiàn)有的工業(yè)機器人正隨著數(shù)字化和人工智能的浪潮，朝著數(shù)字化、柔性化、智能化的方向發(fā)展，文獻[3]指出了幾條細分路徑：1）以深度學習為代表的工業(yè)機器人技術(shù)來完成更高精度的人機協(xié)作任務(wù)；2）以多機器人協(xié)作為手段的工業(yè)機器人技術(shù)來應(yīng)對復雜化的任務(wù)，值得指出的是，多機器人協(xié)作的方式已經(jīng)在許多行業(yè)中有所應(yīng)用；3）可模塊重構(gòu)的技術(shù)來增加工業(yè)機器人的柔性制造本領(lǐng)；4）多傳感器融合的工業(yè)機器人技術(shù)來補充非結(jié)構(gòu)化機器人的缺陷；5）基于軟件的工業(yè)機器人技術(shù)來擴展同一型號機器人的應(yīng)用場景。

雖然工業(yè)機器人誕生至今已有多年，但是，我國工業(yè)機器人技能培訓和人才培養(yǎng)制度尚不完善，導致工業(yè)機器人應(yīng)用型工程技術(shù)人員非常短缺，同時，傳統(tǒng)工業(yè)機器人的示教器界面在數(shù)據(jù)可視化和數(shù)據(jù)再處理部分有一定短板，因此需要開發(fā)一款便捷的操作軟件，既能減小工程技術(shù)人員使用工業(yè)機器人的難度，又能實現(xiàn)一定的數(shù)據(jù)可視化處理和安全操作。

文獻[4]針對現(xiàn)有機器人工程教育體系和行業(yè)痛點為著手點，提出了一整套理論與實踐一體化的線上線下教育體系，力求以一款多模塊、多功能、多層次的可以適配多種廠家型號的軟件來輔助教學，可見針對現(xiàn)有職校課程，也需要一款通用軟件作為工業(yè)機器人專業(yè)的輔助工具，來減小職校教育與企業(yè)培訓之間的隔閡。

基于此，筆者使用Visual Studio 2022開發(fā)軟件，依托ABB工業(yè)機器人和相關(guān)PCSDK開發(fā)包開發(fā)了一款PC端的機器人工作站，該工作站功能齊全而且操作便捷，界面友好，易于拓展，且軟件有一定通用性，適合日常工作需要。

1 軟件需求分析

1.1 WinForm與WPF

WinForm是.Net開發(fā)平臺中對Windows Form的一種稱謂，和WPF一樣，都適合用于桌面程序的開發(fā)和設(shè)計[5]，但是這兩種技術(shù)有一定的區(qū)別。第一點：界面的編寫。WinForm采用拖動控件的方式進行界面編寫，其本身集成了大量的封裝控件，可以極大簡化工作人員代碼編寫，從而把主要設(shè)計精力置于功能的實現(xiàn)上；而WPF則使用專門構(gòu)建用戶界面的XAML語言，從而可以更加容易制作出精美的頁面，采取了前后端分離的方式，實現(xiàn)了代碼的功能解耦。第二點：兩者的驅(qū)動方式不同。WinForm由于使用了封裝控件，其驅(qū)動方式多為“事件驅(qū)動”，通過按鈕的點擊或事件訂閱進行動作；而WPF則是使用“數(shù)據(jù)驅(qū)動”的方式，當數(shù)據(jù)源變動時，進行主界面的數(shù)據(jù)更新，與此同時，用戶操作界面時是直接對數(shù)據(jù)進行修改的，而數(shù)據(jù)和界面不進行直接接觸[6-8]。綜合考慮：由于此次設(shè)計的工業(yè)機器人工作站對界面要求不高，因此采用WinForm來實現(xiàn)工業(yè)機器人的控制和數(shù)據(jù)再處理，同時，為了稍微美化傳統(tǒng)的WinForm界面，此次設(shè)計引入了開源控件HZHControl。

1.2 可擴展控制界面

工業(yè)機器人工作站除了常規(guī)的連接控制、速度設(shè)置、狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)讀寫外，還應(yīng)該有針對特定產(chǎn)線或者功能的界面，因此需要一種便于拓展的、易于區(qū)分內(nèi)容的界面設(shè)計，同時，在代碼編寫過程當中要考慮到工業(yè)機器人的數(shù)據(jù)模型和關(guān)系模型。因此，本次設(shè)計參考了ABB的PCSDK工具包的命名空間劃分，其主要命名空間為如表1所示：

表1? ABB工業(yè)機器人主要命名空間

[命名空間名稱 主要內(nèi)容 ABB.Robotics 工業(yè)機器人本體異常信息 ABB.Robotics.Controllers 工業(yè)機器人控制器信息 ABB.Robotics.Controllers.Configuration 工業(yè)機器人配置信息 ABB.Robotics.Controllers.Discovery 工業(yè)機器人連接信息 ABB.Robotics.Controllers.IOSystemDomain 工業(yè)機器人I/O信息 ABB.Robotics.Controllers.MotionDomain 工業(yè)機器人運動信息 ABB.Robotics.Controllers.Rapid.Domain 工業(yè)機器人Rapid信息 ]

在設(shè)計軟件時，可以依照該命名空間設(shè)計相關(guān)內(nèi)容，便于軟件后期的功能增添和代碼維護。

1.3 安全連接和控制界面

由于工業(yè)機器人通常被應(yīng)用在搬運、噴涂、裝配等工況復雜的環(huán)境，因此對于工業(yè)機器的啟動和控制要求較高，需要在滿足各種安全條件下進行，防止出現(xiàn)工藝問題或?qū)е氯藛T傷亡。同時，運行過程當中應(yīng)能實時顯示工業(yè)機器人的IP地址、系統(tǒng)ID、控制柜軟件版本、運行速度等基礎(chǔ)信息，便于工作人員進行觀察和設(shè)定，此外，針對工業(yè)機器人的基礎(chǔ)控制可以實現(xiàn)點動測試。

1.4 點位數(shù)據(jù)讀寫界面

在工業(yè)機器人的作業(yè)中，被記錄最多的數(shù)據(jù)就是各種工作點位，因此在上位機開發(fā)過程中，應(yīng)能實現(xiàn)關(guān)鍵點位/點數(shù)組的空間姿態(tài)數(shù)據(jù)讀寫，以便在后期調(diào)試過程當中能夠?qū)崿F(xiàn)上位機的遠程操作修改，進行精密的點位修正。同時，在該界面應(yīng)能實現(xiàn)部分數(shù)據(jù)的隱藏，易于操作人員觀察。

1.5 通用數(shù)據(jù)監(jiān)控界面

除了運動點位外，ABB工業(yè)機器人中還記錄了bool、num、ExtJoint等類型的數(shù)據(jù)，因此這些數(shù)據(jù)也需要被操作人員讀取并分析。同時針對工業(yè)機器人作業(yè)過程，應(yīng)能實時顯示機器人末端執(zhí)行器的位置并圖表展示以便觀察，對于特定的工作任務(wù)，可以進行針對性的關(guān)鍵數(shù)據(jù)監(jiān)控。

基于1.1～1.5小結(jié)分析，本次設(shè)計的機器人工作站系統(tǒng)功能分解視圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

2.1 界面設(shè)計

由于本文采取WinForm進行開發(fā)設(shè)計，因此主要考慮在界面設(shè)計部分進行窗口的生成和復用，其主要思想是：在主窗口界面左側(cè)布置功能圖片，圖片被點擊時，綁定窗口生成事件，將新的窗口覆蓋于主窗口之上，同時隱藏掉除了點擊按鈕以外的所有窗口，從而完成窗口的復用，其實現(xiàn)效果如圖2所示，左側(cè)功能欄采取不同圖標來展示不同功能。

從圖2可以看出，在采用了HZHControl控件后，傳統(tǒng)的WinForm窗口也能實現(xiàn)不錯的界面顯示，同時窗口復用的設(shè)計極大方便了后續(xù)的功能開發(fā)，可以根據(jù)實際的使用需求，再進行有針對性的開發(fā)。

2.2 安全連接和控制界面設(shè)計

現(xiàn)有的工業(yè)機器人都預留了網(wǎng)口作為主要通信，因此在此次工作站設(shè)計中采用有線網(wǎng)絡(luò)進行通訊連接。ABB機器人的PCSDK包中主要通信函數(shù)在NetworkScanner類中，當PC在同一網(wǎng)段搜尋到機器人時，可以識別并讀取機器人相應(yīng)的硬件信息和軟件版本號。

機器人的運行主要有兩大部分，一個是電機及控制器的上電，一個是程序的正式運行，因此在基礎(chǔ)控制部分應(yīng)該能分別實現(xiàn)這兩個內(nèi)容的啟動和停止。本次設(shè)計的控制部分有啟動（程序運行），復位（程序復位），電機上電，電機下電，工業(yè)機器人運動暫停和工業(yè)機器人運動急停，而這一部分的控制函數(shù)主要在Controllers類中。

考慮到工業(yè)機器人的特殊工作環(huán)境，工業(yè)機器人啟動時需要滿足各種安全條件，此處設(shè)立了三個基本的安全要求：1）機器人控制狀態(tài)應(yīng)處于自動運行狀態(tài)從而防止在人工操作時上位機誤操作導致發(fā)生安全事故；2）機器人的啟動I/O信號應(yīng)滿足啟動要求，譬如安全柵欄信號應(yīng)處于正常工作狀態(tài)；3）機器人啟動位置應(yīng)該在原點位置。同時軟件設(shè)計的時候也要考慮機器人連接成功與否，從而判斷操作是否成功下達。圖3展示了機器人連接控制界面的主要內(nèi)容，圖4展示了機器人安全動作的提示內(nèi)容。

可以看出，該款上位機控制軟件可以簡化工作人員對機器人的操作，并且充分考慮到了實際工況中的安全問題。

2.3 點位數(shù)據(jù)讀寫界面設(shè)計

工業(yè)機器人運動過程當中，記錄數(shù)據(jù)最多的就是各種點位數(shù)據(jù)。ABB中負責記錄該數(shù)據(jù)的就是結(jié)構(gòu)體RobTarget，在該結(jié)構(gòu)體中操作人員更關(guān)注的是其中的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)。在這里位置X、Y、Z是工業(yè)機器人末端執(zhí)行器相對坐標原點的距離，姿態(tài)數(shù)據(jù)Rx、Ry、Rz則反映了末端執(zhí)行器相對于各基準面的姿態(tài)。考慮到，在常規(guī)控制當中，一個動作通常以數(shù)組形式進行存放，因此該界面應(yīng)該能實現(xiàn)數(shù)組的讀取和修改。為了保證寫入數(shù)據(jù)的正確性，在覆蓋數(shù)據(jù)前應(yīng)有提示窗提示修改后的最終結(jié)果，防止數(shù)據(jù)的誤寫，同時，考慮到界面的簡潔和美觀，提供了數(shù)據(jù)隱藏功能，并針對組數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型進行了分類，這一部分的主要操作函數(shù)在Rapid類中。圖5顯示了單點的姿態(tài)修改界面，圖6顯示了數(shù)組的修改界面，可以看出，在覆蓋舊數(shù)據(jù)前，提供了確認框供操作人員進行判斷。

2.3 通用數(shù)據(jù)監(jiān)控界面設(shè)計

正如1.5小節(jié)所描述的那樣，普通操作工人使用點位數(shù)據(jù)讀寫界面就能完成日常工作所需，但是對于程序調(diào)試和后期維護而言，還需要更多數(shù)據(jù)進行輔助操作。在此設(shè)計界面，首先完成了類數(shù)據(jù)批量讀取功能，可以實現(xiàn)當前工業(yè)機器人所用到的所有數(shù)據(jù)的讀寫，包括但不限于bool、num、pose、speeddata、ExtJoint。考慮到工業(yè)機器人的周期性維護，實現(xiàn)了工業(yè)機器人服務(wù)時間信息的讀取，包括總運行時間、上次開機時間、本次服務(wù)總時間、校準時間等，這一部分的主要操作函數(shù)在MotionSystem類中。同時，實現(xiàn)了工業(yè)機器人的實時位置顯示，并作出圖表展示，方便操作人員的觀察，在這里，圖表部分采取了開源包HZHControl的Live Charts控件。圖7和圖8顯示了通用數(shù)據(jù)監(jiān)控界面的實現(xiàn)，其中左上角是機器人服務(wù)信息，左下角是類數(shù)據(jù)批量處理，右下角是機器人實時位置，右上角是曲線展示，可以看出，采用實時曲線顯示的運動軌跡的方式可以極大方便工作人員的觀察，并且相關(guān)報警信息進行了特殊顏色標記。

值得注意的是，在該界面中實現(xiàn)了虛擬機器人和實物機器人的種類判斷，并依據(jù)這些判斷來進行軟件的不同動作。

3 結(jié)束語

筆者使用了Visual Studio 2022為開發(fā)環(huán)境，依托ABB工業(yè)機器人和配套PCSDK工具包完成了工業(yè)機器人的工作站設(shè)計，可以實現(xiàn)機器人搜尋、機器人硬軟件版本顯示、機器人實時速度讀寫，機器人啟停控制、單個點位和數(shù)組點位的讀取和修改，機器人服務(wù)信息讀取，機器人類數(shù)據(jù)批量讀取，機器人實時位置更新和曲線顯示。該系統(tǒng)創(chuàng)新之處在于：

1）所有功能實現(xiàn)都充分考慮到了安全因素，保證了工業(yè)機器人數(shù)據(jù)安全和操作人員的人身安全；

2）系統(tǒng)有一定可拓展性，該系統(tǒng)在設(shè)計之初就考慮到了軟件本身的功能拓展，方便后續(xù)應(yīng)用的開發(fā)，同時本軟件能適配大多數(shù)型號的ABB工業(yè)機器人；

3）應(yīng)用了開源控件HZHcontrol，在不增加代碼工作量的情況下實現(xiàn)了界面的美化。

隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，工業(yè)機器人從一開始依托外國技術(shù)，到現(xiàn)在逐步走出國產(chǎn)道路，這是一個值得欣慰的過程。但不可忽略的一點是，我國培養(yǎng)相關(guān)人才的產(chǎn)業(yè)鏈還未完善，依舊需要研究和突破。本文所做設(shè)計一方面對于工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)有極大幫助：縮短了操作人員的培養(yǎng)周期，優(yōu)化了數(shù)據(jù)讀寫和顯示，也為相關(guān)機器人工業(yè)軟件開發(fā)做出參考；另一方面對職校的工業(yè)機器人教學做出了一定貢獻：該軟件能有效服務(wù)硬件+軟件的混合式教學，能有機集成工業(yè)機器人課程體系，培養(yǎng)理實一體化的高技術(shù)人才。當然，本軟件仍然有很大的改進空間，比如能增添上位機對工業(yè)機器人代碼編寫功能來減少對示教器的使用，增添運維功能來滿足不同產(chǎn)線需要，增添機器人讀取種類，來適配其他機器人廠家的設(shè)備等。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】