ABB机器人码垛软件的用户友好性分析

ABB（中国）有限公司 江万里

1 引言

虚拟化是工业自动化方案实现和验证的趋势，它具有减少项目时间，降低项目成本，以及控制技术风险的优势。正因如此，当前主要的工业机器人生产商（ABB[1]、FANUC[2]、KUKA[3]等）都会提供离线编程与仿真工具，以帮助用户在个人电脑上进行机器人自动化方案的开发及验证。同时，这些平台也往往会开放相应的软件接口（API），以支持开发功能性插件，从而使平台也能针对不同工业应用做出功能优化。例如ABB RobotStudio是用于ABB机器人的离线编程与仿真的通用平台，而该平台上，开发者利用其提供的API，还开发了针对弧焊、打磨、喷涂、折弯和码垛等不同应用的插件。

可用性是指一个产品在特定场景下，帮助用户达到目的时所给予的有效性、快速性，以及满意度[4]。而由于越来越多的工作在个人电脑软件里实现，软件的可用性也日益受到用户重视。对于各类自动化和工业机器人应用软件来说，这则更为重要，因为该类软件面对的用户往往是有众多行业应用经验的管理或技术人员，他们并不一定拥有足够的专业设备或机器人的使用和编程知识。因此，对于这类工业应用软件，用户对软件本身功能，以及功能的可发现性、可学习性，及使用效率[5][6]上都提出了更高的要求。

本文对PzPP软件中的可用性进行分析和展示，帮助读者了解一款典型的机器人自动化应用软件的设计理念和思路。

2 PzPP软件介绍

PzPP是在ABB RobotStudio平台之上开发的针对码垛应用的软件产品，如图1所示。通过该软件，用户可以定义产品信息、码垛的垛型、输送带布局和机器人抓放方式，并仿真整个机器人码垛过程，以及生成和下载最终的机器人程序。为了完成一个码垛方案，用户只需根据界面要求完成特定配置，甚至不需要编辑任何机器人程序。从收集的用户反馈来看，该软件能将码垛方案的设计与验证工作过程从过去几天缩减为只需几十分钟至几分钟。

图1 PzPP是基于ABB RobotStudio平台开发，针对码垛应用的配置与仿真软件

该软件在开发过程中综合考虑了众多可用性的指导原则，并针对机器人码垛应用的特点进行了分析和权衡，最终在完成的产品中实现了功能性和易用性的平衡。

下一节列举了三个可用性原则，同时描述了这些原则如何在软件功能和交互中得到应用。

3 PzPP中软件可用性的指导原则

原则1：为满足不同目的、背景与技术能力的用户的需求，软件的功能应被合理分配和展示，以实现复杂功能的透明化。

（1）PzPP基于ABB已有的PickMaster技术，遵循“配置而非编程”的用户操作理念。它将码垛应用的典型流程进行了建模，分解出标准的机器人及码垛流水线的运作方式，并将经过大量验证的机器人程序进行标准化。用户只需通过软件对码垛需求进行配置，软件便能自动生成所有指令，而不需用户去直接面对底层复杂的机器人操作指令，如图2所示。该方式增强了用户使用需求的直观性，同时隐藏了工业机器人编程的复杂性。

图2 PzPP基于PickMaster技术，实现以简单配置代替复杂编程的功能

（2）PzPP 的界面设计，则从易用性上满足了销售工程师对快速实现的需求，又从功能性上为方案及现场工程师提供对细节的配置和优化。例如在通过产品对话框添加一个新码垛产品时，如图3所示，软件将自动为该产品提供合理的默认设置。初始界面上也只显示最基本的可配置信息和功能（如产品大小，重量等），而高级功能（如产品所允许的最大抓取加速度，抓取时的吸盘停留时间等）则被隐藏。这样，对于那些需要快速粗略搭建一个应用的用户（如销售工程师），便只需输入和检查基本信息，无需被暂时不需要的高级功能分心；而对于需要在配置细节上进行优化的方案或现场工程师，他们只需打开高级设置界面进行配置。

图3 在产品对话框，基本配置和高级配置的内容被合理划分

（3）模板文件的配置与使用：在码垛应用中，机器人与其它自动化设备之间（夹具、输送带、PLC等）存在较为复杂的逻辑交互。另外，这些设备（夹具、输送带等）也可能存在复杂的运动机制。为了通过仿真达到真实的方案验证效果，有必要对这些自动化设备的信号控制与运动机制进行建模，因此PzPP在RobotStudio基础之上，更提供了相应的建模功能。例如针对码垛应用中必要的夹具，用户可以全面地定义其夹具模型，开合方式、开合时间和产品抓取空间等。而在建模之后，用户可将夹具导出保存为标准的库文件。与此同时，软件又帮助用户（如销售工程师）非常简单地使用夹具：只需选择夹具库文件，再指定到相应机器人上便可，PzPP将自动读取该文件中描述的夹具信息，继而生成相应的连接与控制方式，使夹具能与机器人工作。可见，通过模板文件方式，软件将夹具的复杂建模与简单使用分离，创建者可以做出高级复杂的配置，而利用软件的智能性又保证了使用者的操作仍然简单直观。

原则2：清晰的软件使用流程，以降低用户发现和访问功能的时间。

（1）基于RobotStudio的界面组织方式，PzPP采用了微软Office Fluent UI风格，将菜单式命令改成按键式。该风格可以便捷地展示软件功能，不仅增加了功能的可学习型，更大量减少了用户搜寻命令时间及鼠标按键次数。在需要大量往复修改配置参数已达到最优效率的工业自动化应用中，减少功能的访问时间便能节约大量的方案设计时间。

（2）软件将码垛的实现流程从左到右安排，使得用户对下一步的步骤清晰明确。通过对码垛应用的深入调查，我们对其基本任务进行了清晰的分解和排序。从选择夹具，配置输送带，到添加产品信息，设计垛型，到增加机器人码垛任务，以及最终的可达性验证，仿真运行和程序下载，PzPP从左到右地在Ribbon上相应设置了命令按钮，如图4所示，明确指示了工作流程。用户在完成了前一项任务后，能明确地知道下一步应该做什么操作。

图4 PzPP将码垛的典型流程进行整理，并按从左到右的方式展示

（3）提供向导对话框以快速实现一项码垛任务：从基本的码垛配置到完整程序的生成，该对话框指导一个初级用户输入基本信息，如图5所示，便可完成配置一个码垛任务。在设置产品信息和垛型设计后，PzPP提供了向导对话框以指导用户快速添加一个机器人码垛任务。该向导对话框仅需要用户配置最基本的信息，如选择哪个产品和垛型，选用哪条进料出料输送带等，而其他的配置信息将由软件自动计算生成（但用户也可手动修改）。这样，希望快速生成一项码垛任务，但不关心具体优化细节的用户（如正在客户现场展示方案可行性的销售工程师），便能使用该功能在几次点击后完成编程，并运行仿真看到效果。而对于需要在细节上关注的用户（如调试的现场工程师），则可以继续使用其它高级功能对生成的任务做细节修改。

原则3：针对用户操作，软件应提供快速直接的反馈。

图5 创建一个新的码垛任务时，用户只需配置向导对话框所需的基本信息，软件便能自动计算并生成机器人的程序，实现码垛任务

（1）码垛程序的视觉图示：当用户在配置界面里（如定义产品信息，配置夹具的抓料方式，设计码垛垛型和抓放料顺序，配置产品的进出料位置等）修改时，PzPP会通过三维环境提供实时的修改效果展示，从而为用户的编辑提供直观的反馈，以帮助获得符合客户需求的最佳配置。

图6 PzPP为用户提供了大量的三维视觉反馈，使用户快速直观地了解配置效果，从而有效地帮助用户达到最佳配置。图中，进料的位置和垛型的位置都在用户配置时，便显示在三维环境中。

（2）高效的机器人目标点可达性的状态指示：PzPP在Ribbon功能区设置一个单独按键来检查所有目标点的可达性，及通过唯一状态灯来表达这些点的可达性，如图7所示。对于方案和现场工程师来说，目标点的可达性一直是其经常关注的一点。方案中如果涉及任何对码垛位置的改动，他们都会担心机器人是否仍然可达。PzPP的优势在于用户只需配置而非编程：在位置改动后，用户无需手动修改任何机器人目标点，因为PzPP将能通过配置信息快速地自动生成所有目标点。用户只需一次点击，PzPP便能更新目标点并检查所有目标点的可达性。在检查完成后，用户可以继续查看不可达的任务，并在三维空间中查看具体不可达的产品位置，如图8所示，从而做出相应修改。

图 8 不可达的产品将会以红色显示在三维空间中，用户根据其分布可进而调整输送带或机器人位置。

（3）对于码垛过程的仿真，PzPP同样在Ribbon功能区设置单一按键完成程序的生成、下载，及仿真启动（包括PLC逻辑的协调）。该功能启动机器人虚拟控制器来运行，以帮助用户验证垛型的最终正确性。在现场，大量的时间往往花费在涉及PLC、夹具、输送带等I/O与逻辑的调试上。为了在仿真中节省用户时间，PzPP使用ABB RobotStudio的SmartComponent（智能组件）技术，分别为夹具、输送带和PLC等搭建智能组件，按照现实中的设备要求预先设置内部逻辑及I/O接口，并与虚拟机器人控制器相连接。PzPP在仿真运行时将自动启动这些组件，使其与机器人配合运行从而完成一系列码垛任务。可见，用户在点击一键后，PzPP自动生成程序、加载到虚拟机器人控制器、启动各个智能组件并运行仿真。这种功能的真实性与便捷性能快速地为用户提供机器人运行的信息，从而帮助验证了码垛方案的配置。

4 结语

软件的可用性日益受到使用者和开发者的重视，其主要指软件的功能性和易用性。易用但功能简单的应用软件，因为无法实现用户的现实任务而容易遭到摒弃；功能强大却难以使用的软件，则会由于学习成本太高被用户拒之门外，或逐渐失去耐心。PzPP在设计过程中，便非常强调对功能与易用的平衡，力求既能帮助各类用户解决机器人码垛中的多种真实需求，又能以其易用的特性吸引用户的持久使用。

从用户反馈来看，该软件对可用性的重视已经得到很好回报。自发布之后，该软件已迅速成为所有RobotStudio 平台产品中最受欢迎的应用之一。

[1]ABB RobotStudio website[EB/OL].http://www.abb.com/roboticssoftware.

[2]FANUC RoboGuide website[EB/OL].http://www.fanucrobotics.com/products/vision-software/ROBOGUIDE-simulation-software.aspx.

[3]KUKA Sim website[EB/OL].http://www.kuka-robotics.com/en/products/software/kuka_sim/.

[4]Juristo, N. ,Windl, H.,Constantine, L. ,Usability basics for software developers, IEEE Software,2001,(18):22-29.

[5]Usability in Software Design， Microsoft Corporation , Oct 2000[EB/OL].http://msdn.microsoft.com/en-us/library/ms997577.aspx.

[6]Windows User Experience Interaction Guidelines, Oct, 2010[EB/OL].http://www.microsoft.com/en-us/download/details.aspx?id=2695.

[7]Jonathan Anderson, John McRee, Robb Wilson, Effective UI, O’Reilly Media, Inc, Feb, 2010.