ABB（中國(guó)）有限公司 江萬(wàn)里

1 引言

虛擬化是工業(yè)自動(dòng)化方案實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證的趨勢(shì)，它具有減少項(xiàng)目時(shí)間，降低項(xiàng)目成本，以及控制技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)勢(shì)。正因如此，當(dāng)前主要的工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)商（ABB[1]、FANUC[2]、KUKA[3]等）都會(huì)提供離線(xiàn)編程與仿真工具，以幫助用戶(hù)在個(gè)人電腦上進(jìn)行機(jī)器人自動(dòng)化方案的開(kāi)發(fā)及驗(yàn)證。同時(shí)，這些平臺(tái)也往往會(huì)開(kāi)放相應(yīng)的軟件接口（API），以支持開(kāi)發(fā)功能性插件，從而使平臺(tái)也能針對(duì)不同工業(yè)應(yīng)用做出功能優(yōu)化。例如ABB RobotStudio是用于ABB機(jī)器人的離線(xiàn)編程與仿真的通用平臺(tái)，而該平臺(tái)上，開(kāi)發(fā)者利用其提供的API，還開(kāi)發(fā)了針對(duì)弧焊、打磨、噴涂、折彎和碼垛等不同應(yīng)用的插件。

可用性是指一個(gè)產(chǎn)品在特定場(chǎng)景下，幫助用戶(hù)達(dá)到目的時(shí)所給予的有效性、快速性，以及滿(mǎn)意度[4]。而由于越來(lái)越多的工作在個(gè)人電腦軟件里實(shí)現(xiàn)，軟件的可用性也日益受到用戶(hù)重視。對(duì)于各類(lèi)自動(dòng)化和工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用軟件來(lái)說(shuō)，這則更為重要，因?yàn)樵擃?lèi)軟件面對(duì)的用戶(hù)往往是有眾多行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的管理或技術(shù)人員，他們并不一定擁有足夠的專(zhuān)業(yè)設(shè)備或機(jī)器人的使用和編程知識(shí)。因此，對(duì)于這類(lèi)工業(yè)應(yīng)用軟件，用戶(hù)對(duì)軟件本身功能，以及功能的可發(fā)現(xiàn)性、可學(xué)習(xí)性，及使用效率[5][6]上都提出了更高的要求。

本文對(duì)PzPP軟件中的可用性進(jìn)行分析和展示，幫助讀者了解一款典型的機(jī)器人自動(dòng)化應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)理念和思路。

2 PzPP軟件介紹

PzPP是在ABB RobotStudio平臺(tái)之上開(kāi)發(fā)的針對(duì)碼垛應(yīng)用的軟件產(chǎn)品，如圖1所示。通過(guò)該軟件，用戶(hù)可以定義產(chǎn)品信息、碼垛的垛型、輸送帶布局和機(jī)器人抓放方式，并仿真整個(gè)機(jī)器人碼垛過(guò)程，以及生成和下載最終的機(jī)器人程序。為了完成一個(gè)碼垛方案，用戶(hù)只需根據(jù)界面要求完成特定配置，甚至不需要編輯任何機(jī)器人程序。從收集的用戶(hù)反饋來(lái)看，該軟件能將碼垛方案的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工作過(guò)程從過(guò)去幾天縮減為只需幾十分鐘至幾分鐘。

圖1 PzPP是基于ABB RobotStudio平臺(tái)開(kāi)發(fā)，針對(duì)碼垛應(yīng)用的配置與仿真軟件

該軟件在開(kāi)發(fā)過(guò)程中綜合考慮了眾多可用性的指導(dǎo)原則，并針對(duì)機(jī)器人碼垛應(yīng)用的特點(diǎn)進(jìn)行了分析和權(quán)衡，最終在完成的產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)了功能性和易用性的平衡。

下一節(jié)列舉了三個(gè)可用性原則，同時(shí)描述了這些原則如何在軟件功能和交互中得到應(yīng)用。

3 PzPP中軟件可用性的指導(dǎo)原則

原則1：為滿(mǎn)足不同目的、背景與技術(shù)能力的用戶(hù)的需求，軟件的功能應(yīng)被合理分配和展示，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能的透明化。

（1）PzPP基于ABB已有的PickMaster技術(shù)，遵循“配置而非編程”的用戶(hù)操作理念。它將碼垛應(yīng)用的典型流程進(jìn)行了建模，分解出標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器人及碼垛流水線(xiàn)的運(yùn)作方式，并將經(jīng)過(guò)大量驗(yàn)證的機(jī)器人程序進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。用戶(hù)只需通過(guò)軟件對(duì)碼垛需求進(jìn)行配置，軟件便能自動(dòng)生成所有指令，而不需用戶(hù)去直接面對(duì)底層復(fù)雜的機(jī)器人操作指令，如圖2所示。該方式增強(qiáng)了用戶(hù)使用需求的直觀性，同時(shí)隱藏了工業(yè)機(jī)器人編程的復(fù)雜性。

圖2 PzPP基于PickMaster技術(shù)，實(shí)現(xiàn)以簡(jiǎn)單配置代替復(fù)雜編程的功能

（2）PzPP 的界面設(shè)計(jì)，則從易用性上滿(mǎn)足了銷(xiāo)售工程師對(duì)快速實(shí)現(xiàn)的需求，又從功能性上為方案及現(xiàn)場(chǎng)工程師提供對(duì)細(xì)節(jié)的配置和優(yōu)化。例如在通過(guò)產(chǎn)品對(duì)話(huà)框添加一個(gè)新碼垛產(chǎn)品時(shí)，如圖3所示，軟件將自動(dòng)為該產(chǎn)品提供合理的默認(rèn)設(shè)置。初始界面上也只顯示最基本的可配置信息和功能（如產(chǎn)品大小，重量等），而高級(jí)功能（如產(chǎn)品所允許的最大抓取加速度，抓取時(shí)的吸盤(pán)停留時(shí)間等）則被隱藏。這樣，對(duì)于那些需要快速粗略搭建一個(gè)應(yīng)用的用戶(hù)（如銷(xiāo)售工程師），便只需輸入和檢查基本信息，無(wú)需被暫時(shí)不需要的高級(jí)功能分心；而對(duì)于需要在配置細(xì)節(jié)上進(jìn)行優(yōu)化的方案或現(xiàn)場(chǎng)工程師，他們只需打開(kāi)高級(jí)設(shè)置界面進(jìn)行配置。

圖3 在產(chǎn)品對(duì)話(huà)框，基本配置和高級(jí)配置的內(nèi)容被合理劃分

（3）模板文件的配置與使用：在碼垛應(yīng)用中，機(jī)器人與其它自動(dòng)化設(shè)備之間（夾具、輸送帶、PLC等）存在較為復(fù)雜的邏輯交互。另外，這些設(shè)備（夾具、輸送帶等）也可能存在復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)機(jī)制。為了通過(guò)仿真達(dá)到真實(shí)的方案驗(yàn)證效果，有必要對(duì)這些自動(dòng)化設(shè)備的信號(hào)控制與運(yùn)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行建模，因此PzPP在RobotStudio基礎(chǔ)之上，更提供了相應(yīng)的建模功能。例如針對(duì)碼垛應(yīng)用中必要的夾具，用戶(hù)可以全面地定義其夾具模型，開(kāi)合方式、開(kāi)合時(shí)間和產(chǎn)品抓取空間等。而在建模之后，用戶(hù)可將夾具導(dǎo)出保存為標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)文件。與此同時(shí)，軟件又幫助用戶(hù)（如銷(xiāo)售工程師）非常簡(jiǎn)單地使用夾具：只需選擇夾具庫(kù)文件，再指定到相應(yīng)機(jī)器人上便可，PzPP將自動(dòng)讀取該文件中描述的夾具信息，繼而生成相應(yīng)的連接與控制方式，使夾具能與機(jī)器人工作。可見(jiàn)，通過(guò)模板文件方式，軟件將夾具的復(fù)雜建模與簡(jiǎn)單使用分離，創(chuàng)建者可以做出高級(jí)復(fù)雜的配置，而利用軟件的智能性又保證了使用者的操作仍然簡(jiǎn)單直觀。

原則2：清晰的軟件使用流程，以降低用戶(hù)發(fā)現(xiàn)和訪問(wèn)功能的時(shí)間。

（1）基于RobotStudio的界面組織方式，PzPP采用了微軟Office Fluent UI風(fēng)格，將菜單式命令改成按鍵式。該風(fēng)格可以便捷地展示軟件功能，不僅增加了功能的可學(xué)習(xí)型，更大量減少了用戶(hù)搜尋命令時(shí)間及鼠標(biāo)按鍵次數(shù)。在需要大量往復(fù)修改配置參數(shù)已達(dá)到最優(yōu)效率的工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中，減少功能的訪問(wèn)時(shí)間便能節(jié)約大量的方案設(shè)計(jì)時(shí)間。

（2）軟件將碼垛的實(shí)現(xiàn)流程從左到右安排，使得用戶(hù)對(duì)下一步的步驟清晰明確。通過(guò)對(duì)碼垛應(yīng)用的深入調(diào)查，我們對(duì)其基本任務(wù)進(jìn)行了清晰的分解和排序。從選擇夾具，配置輸送帶，到添加產(chǎn)品信息，設(shè)計(jì)垛型，到增加機(jī)器人碼垛任務(wù)，以及最終的可達(dá)性驗(yàn)證，仿真運(yùn)行和程序下載，PzPP從左到右地在Ribbon上相應(yīng)設(shè)置了命令按鈕，如圖4所示，明確指示了工作流程。用戶(hù)在完成了前一項(xiàng)任務(wù)后，能明確地知道下一步應(yīng)該做什么操作。

圖4 PzPP將碼垛的典型流程進(jìn)行整理，并按從左到右的方式展示

（3）提供向?qū)?duì)話(huà)框以快速實(shí)現(xiàn)一項(xiàng)碼垛任務(wù)：從基本的碼垛配置到完整程序的生成，該對(duì)話(huà)框指導(dǎo)一個(gè)初級(jí)用戶(hù)輸入基本信息，如圖5所示，便可完成配置一個(gè)碼垛任務(wù)。在設(shè)置產(chǎn)品信息和垛型設(shè)計(jì)后，PzPP提供了向?qū)?duì)話(huà)框以指導(dǎo)用戶(hù)快速添加一個(gè)機(jī)器人碼垛任務(wù)。該向?qū)?duì)話(huà)框僅需要用戶(hù)配置最基本的信息，如選擇哪個(gè)產(chǎn)品和垛型，選用哪條進(jìn)料出料輸送帶等，而其他的配置信息將由軟件自動(dòng)計(jì)算生成（但用戶(hù)也可手動(dòng)修改）。這樣，希望快速生成一項(xiàng)碼垛任務(wù)，但不關(guān)心具體優(yōu)化細(xì)節(jié)的用戶(hù)（如正在客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)展示方案可行性的銷(xiāo)售工程師），便能使用該功能在幾次點(diǎn)擊后完成編程，并運(yùn)行仿真看到效果。而對(duì)于需要在細(xì)節(jié)上關(guān)注的用戶(hù)（如調(diào)試的現(xiàn)場(chǎng)工程師），則可以繼續(xù)使用其它高級(jí)功能對(duì)生成的任務(wù)做細(xì)節(jié)修改。

原則3：針對(duì)用戶(hù)操作，軟件應(yīng)提供快速直接的反饋。

圖5 創(chuàng)建一個(gè)新的碼垛任務(wù)時(shí)，用戶(hù)只需配置向?qū)?duì)話(huà)框所需的基本信息，軟件便能自動(dòng)計(jì)算并生成機(jī)器人的程序，實(shí)現(xiàn)碼垛任務(wù)

（1）碼垛程序的視覺(jué)圖示：當(dāng)用戶(hù)在配置界面里（如定義產(chǎn)品信息，配置夾具的抓料方式，設(shè)計(jì)碼垛垛型和抓放料順序，配置產(chǎn)品的進(jìn)出料位置等）修改時(shí)，PzPP會(huì)通過(guò)三維環(huán)境提供實(shí)時(shí)的修改效果展示，從而為用戶(hù)的編輯提供直觀的反饋，以幫助獲得符合客戶(hù)需求的最佳配置。

圖6 PzPP為用戶(hù)提供了大量的三維視覺(jué)反饋，使用戶(hù)快速直觀地了解配置效果，從而有效地幫助用戶(hù)達(dá)到最佳配置。圖中，進(jìn)料的位置和垛型的位置都在用戶(hù)配置時(shí)，便顯示在三維環(huán)境中。

（2）高效的機(jī)器人目標(biāo)點(diǎn)可達(dá)性的狀態(tài)指示：PzPP在Ribbon功能區(qū)設(shè)置一個(gè)單獨(dú)按鍵來(lái)檢查所有目標(biāo)點(diǎn)的可達(dá)性，及通過(guò)唯一狀態(tài)燈來(lái)表達(dá)這些點(diǎn)的可達(dá)性，如圖7所示。對(duì)于方案和現(xiàn)場(chǎng)工程師來(lái)說(shuō)，目標(biāo)點(diǎn)的可達(dá)性一直是其經(jīng)常關(guān)注的一點(diǎn)。方案中如果涉及任何對(duì)碼垛位置的改動(dòng)，他們都會(huì)擔(dān)心機(jī)器人是否仍然可達(dá)。PzPP的優(yōu)勢(shì)在于用戶(hù)只需配置而非編程：在位置改動(dòng)后，用戶(hù)無(wú)需手動(dòng)修改任何機(jī)器人目標(biāo)點(diǎn)，因?yàn)镻zPP將能通過(guò)配置信息快速地自動(dòng)生成所有目標(biāo)點(diǎn)。用戶(hù)只需一次點(diǎn)擊，PzPP便能更新目標(biāo)點(diǎn)并檢查所有目標(biāo)點(diǎn)的可達(dá)性。在檢查完成后，用戶(hù)可以繼續(xù)查看不可達(dá)的任務(wù)，并在三維空間中查看具體不可達(dá)的產(chǎn)品位置，如圖8所示，從而做出相應(yīng)修改。

圖 8 不可達(dá)的產(chǎn)品將會(huì)以紅色顯示在三維空間中，用戶(hù)根據(jù)其分布可進(jìn)而調(diào)整輸送帶或機(jī)器人位置。

（3）對(duì)于碼垛過(guò)程的仿真，PzPP同樣在Ribbon功能區(qū)設(shè)置單一按鍵完成程序的生成、下載，及仿真啟動(dòng)（包括PLC邏輯的協(xié)調(diào)）。該功能啟動(dòng)機(jī)器人虛擬控制器來(lái)運(yùn)行，以幫助用戶(hù)驗(yàn)證垛型的最終正確性。在現(xiàn)場(chǎng)，大量的時(shí)間往往花費(fèi)在涉及PLC、夾具、輸送帶等I/O與邏輯的調(diào)試上。為了在仿真中節(jié)省用戶(hù)時(shí)間，PzPP使用ABB RobotStudio的SmartComponent（智能組件）技術(shù)，分別為夾具、輸送帶和PLC等搭建智能組件，按照現(xiàn)實(shí)中的設(shè)備要求預(yù)先設(shè)置內(nèi)部邏輯及I/O接口，并與虛擬機(jī)器人控制器相連接。PzPP在仿真運(yùn)行時(shí)將自動(dòng)啟動(dòng)這些組件，使其與機(jī)器人配合運(yùn)行從而完成一系列碼垛任務(wù)?？梢?jiàn)，用戶(hù)在點(diǎn)擊一鍵后，PzPP自動(dòng)生成程序、加載到虛擬機(jī)器人控制器、啟動(dòng)各個(gè)智能組件并運(yùn)行仿真。這種功能的真實(shí)性與便捷性能快速地為用戶(hù)提供機(jī)器人運(yùn)行的信息，從而幫助驗(yàn)證了碼垛方案的配置。

4 結(jié)語(yǔ)

軟件的可用性日益受到使用者和開(kāi)發(fā)者的重視，其主要指軟件的功能性和易用性。易用但功能簡(jiǎn)單的應(yīng)用軟件，因?yàn)闊o(wú)法實(shí)現(xiàn)用戶(hù)的現(xiàn)實(shí)任務(wù)而容易遭到摒棄；功能強(qiáng)大卻難以使用的軟件，則會(huì)由于學(xué)習(xí)成本太高被用戶(hù)拒之門(mén)外，或逐漸失去耐心。PzPP在設(shè)計(jì)過(guò)程中，便非常強(qiáng)調(diào)對(duì)功能與易用的平衡，力求既能幫助各類(lèi)用戶(hù)解決機(jī)器人碼垛中的多種真實(shí)需求，又能以其易用的特性吸引用戶(hù)的持久使用。

從用戶(hù)反饋來(lái)看，該軟件對(duì)可用性的重視已經(jīng)得到很好回報(bào)。自發(fā)布之后，該軟件已迅速成為所有RobotStudio 平臺(tái)產(chǎn)品中最受歡迎的應(yīng)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.