（计算机应用技术专业论文）机器人手术网络遥控系统——语音识别和机械手控制.pdf

沈阳航空工业学院硕士学位论文 摘要 网络的利用是工业现代化的标志，而机器的自动化控制则是现代工业文明的产物。 在汽车、医疗、航空航天等领域中，计算机与机械控制有着完美的结合。本文结合目前 非常流行的语音识别技术，描述了在局域网环境下，服务器端和客户端计算机的医生如 何通过声像来进行相互交流，以及如何通过麦克风来控制远端的机器人手臂来做出各种 可能的动作，从而利用语音识别技术实现网络遥控机器人手术。本系统利用微软的 v i s u a lc + + 6 0 和p l c ，完成了基于局域网的6 自由度机器人手臂控制系统的设计与实 现；利用微软的s p e e c ha p i 51 ( s a p d ，在熟悉了该语音开发工具包的基础上，汲取其 中和本项目相关的部分，以v i s u a lc + + 6 0 为开发平台，完成了机器人手术网络遥控系 统中的语音识别部分。 实践表明，基于网络和语音控制的机器人手术控制系统在实验室环境下是非常成功 的，尽管在噪声环境下的鲁捧性还有待加强，但对语音识别在远程医疗领域的应用还是 具有重要的参考价值。 关键词：网络控制；机器人手术；语音识别 沈阳航空工业学院硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee x p l o i t a t i o no ft h en e t w o r ki sas y m b o lo fi n d u s t r ym o d e r n i z a t i o n ，a n dt h e a u t o m a t i o nc o n t r o lo fm a c h i n ei st h eo u t c o m eo fm o d e r ni n d u s t r yc i v i l i z a t i o ni nt h e s ef i e l d s o fa u t o m o b i l e ，m e d i c a lt r e a t m e n t ，a v i a t i o na n ds p a c e f l i g h te t c ，c o m p u t e ra n dm e c h a n i s m c o n t r o lh a v ec o m b i n e dt o g e t h e rp e r f e c t l yb a s e do nt h ev e r yp o p u l a rt e c h n i q u eo ft h es p e e c h r e c o g n k i o nc u r r e n t l y i td e s c r i b e dh o wt oc o m m u n i c a t e w i t he a c ho t h e rd o c t o r so fs e r v e ra n d c l i e n tb yt h ev o i c e sa n di m a g e s ，a n dh o wt oc o n t r o lt h el o n g d i s t a n c er o b o t sa r mt of i n i s ha l l s o r t so fa c t i o n sw h a ti tc a nt h r o u g ht h em i c r o p h o n eu n d e rt h ec o n d i t i o no fl a n ，t h e r e b y , t h e s y s t e mt h a tm a k e su s eo ft h et e c h n i q u eo fs p e e c hr e c o g n i t i o nt ot e l e c o n t r o lt h er o b o ts u r g i c a l o p e r a t i o nt h r o u g ht h en e t w o r kh a db e e nr e a l i z e d w i t ht h em i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0a n dt h e p l c ，t h i ss y s t e ma c c o m p l i s h e dt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f t h es u b s y s t e mo f t h er o b o t sa r m c o n t r o li nt h el a nw i t h6d o eb a s e do nt h ek n o w i n gw e l lo fm i c r o s o f t s p e e c h d e v e l o p m e n tt o o l k i t ，d r a w i n gt h ec o r r e l a t i v ek n o w l e d g ew i t ht h ep r o j e c tf r o mt h et o o l k i t ，i t f u l f i l l e dt h er e s to ft h es y s t e mo ft e l e c o n t r o lt h er o b o ts u r g i c a lo p e r a t i o nt h r o u g ht h en e t w o r k w i t ht h em i c r o s o f ts p e e c ha p 5 1 ( s a p ) a n dt h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mv i s u a lc + + 6 0 i ti si n d i c a t e df r o mt h ep r a c t i c e st h a tt h es y s t e mo fr o b o ts u r g i c a lo p e r a t i o nc o n t r o l w h i c hw a sb a s eo nt h en e t w o r ka n ds p e e c hc o n t r o lh a sb e e nv e r ys u c c e s s f u lu n d e rt h e l a b o r a t o r ye n v i r o n m e n t ，t h o u g h t h er o b u s t n e s si nt h en o i s en e e d st os t r e n g t h e n ，t h e r es t i l lh a s v e r yi m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u ei nt h em e d i c a lt r e a t m e n tf i e l df o rt h ea p p l i c a t i o no fs p e e c h r e c o g n i t i o n k e y w o r d s ：n e t w o r kc o n t r o l ；r o b o ts u r g i c a lo p e r a t i o n ；s p e e c hr e c o g n i t i o n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立完 成的。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品或成果，也不包含本人为获得其他学位而使 用过的成果。对本文研究做出重要贡献的个人或集体均已在论文中进 行了说明并表示谢意。本声明的法律后果由本人承担。 论文作者签名：团下露考 刊年f 月矿日 版权授权说明 本人授权学校“有权保留送交学位论文的原件，允许学位论文被 查阅和借阅，学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文”；愿意将本人学位论文电子舨提交 给研究生部指定授权单位收录和使用。学校必须严格按照授权对论文 进行处理，不得超越授权对毕业论文进行任意处置。 鼍咱 黪 、j 一事f 枕飞 授 沙 沈阳航空工业学院硕士学位论文 第1 章引言 远程手术机器人系统最初为心脏手术而设计，尤其应用于冠状动脉搭桥手术。近几 年来机器人辅助外科手术的出现与兴起，尤其是基于网络的远程机器人手术的出现，弓f 起医学界乃至全世界的关注【l l 。另一方面，语言是人类特有的功能，是人类进行交流、 传递信息的最简便、最有效、最自然的工具。人类有个梦想，让机器具有可以“听”、“说” 人类语言的能力，随着科学与计算机技术的发展，这个梦想正逐步变成现实，这在一定 程度上归功于语音识别技术突飞猛进的发展。 1 1 机器人手术网络遥控系统概述 从r e i n h a r d e t 等人首次采用机械手的实时定位方法和c t 图片相关联指导手术以来， 计算机辅助手术( c o m p u t e ra s s i s t e ds u r g e r y ，c a s ) 被许多外科医生认为将是神经外科 手术、耳鼻喉手术、脊椎外科手术、整形外科手术等首选的标准方案【2 】。随着全球i n t e m e t 信息化技术的发展，尤其是语音识别在孤立词、非特定人方面的技术日臻成熟和完善， 给c a s 技术的发展带来新的动力和应用前景，c a s 向远程手术的发展在医学领域展示 了新世纪医学发展的蓝图。 1 1 1 网络控伟4 机器人手术系统研究状况概述 网络控制机器人手术系统就是医生异地、实时地通过高精度、高灵敏度手术机器人 对现场病人进行手术。远程机器人手术系统是互联网技术、计算机辅助手术、虚拟现实 技术的必然发展。大致可以分成两大类：异地医生通过腹腔镜、摄像头等仪器返回的三 维医学图像的观察，远程控制现场的手术机器人；异地有经验的专家医生通过交互式视 频图像及语音传输手段，来指导现场医生控制机器人进行手术。由于内窥镜手术、显微 镜手术等将成为微创伤手术的未来发展方向，现场手术医生通过离病灶区域一定距离的 切口导人内窥镜，其传出的视频图像不仅可以由现场手术医生观察到，也可以通过高速 专线网络传送到异地，异地有经验的专家医生由此控制现场机器入的手术或与现场医生 进行交流f 2 1 。尤其符合我国的实际国情，幅员辽阔，很多的老少边穷地区还没有像样的 医院，缺医少药，更不用说有专业的医生为病患人员及时、有效地看病了，这使得远程 沈阳航空工业学院硕士学位论文 手术必然成为计算机辅助手术在网络信息时代的重要发展方向。 远程手术可以说是机器人系统最成功的应用之一，目前用于远程手术的机器人产品 主要有：达芬奇机器人手术系统，美国i n t u i t i v es u r g i c a l 公司产品，获美国粮食及药物 管理局( f o o da n dd r u ga d m i n i s t r a t i o n ，f d a ) 批准；宙斯外科机器人手术系统，美国 c o m p u t e rm o t i o n 公司产品，同样也获得美国f d a 批准。远程机器人手术系统主要由控 制台和操作手臂两部分组成。控制台是机器人手术系统的核心，由计算机软硬件系统、 手术操作监视器、机器人控制监视器、操作手柄、麦克风和输入输出设备等组成。做手 术的医生坐在控制台前，通过机器人控制监视器设定器械动作的幅度、张开角度的大小、 手术刀等器械的抓、放等，利用操作手柄、触摸屏、语音等控制机器人进行手术操作。 操作手臂通常有3 个，其中1 个用于控制腹腔镜，另外2 个用于控制器械。手术时，医 生的手术要求转化为电信号，传递给机器人，从而实现远程手术。 远程机器人手术系统具有普通腹腔镜手术无法替代的优点： 1 可进行精细操作，计算机系统可将手术医生易于完成的大幅度动作通过缩小传 输到机器人双臂手柄上，并可消除器械的抖动和震颤，使操作更平稳准确。 2 医生可坐在舒适的椅子上从容控制手术操作，不易疲劳。 3 手术通常由医生一人就可以完成。有时需l 位护士或助手医师，这样可以节省 大量的人力资源。 远程机器人外科手术在占有巨大优势的同时，与传统手术相比也存在一些缺点和不 足，主要体现在两个方面：首先，传统手术在操作时，医生的手可直接或通过器械接触 到脏器或组织，具有触觉反馈或间接的触觉反馈，这样，方便医生针对病人的实际情况 做出更合理的判断，从而可以减少病人的痛苦，提高手术的成功率；而在机器人操作手 术时，医生使用的是机器人手柄或其它一些手段来控制机器人，即使进行一段时问的学 习和训练，也只能获得一种间接的“触觉的反馈”。其次，在病例选择、机器人摆放位置、 特殊器械配备、手术医师技术等方面均需加以认真考虑。因此，在安全问题上，紧急应 付措施及机器人操作的精确性和敏感性问题也是术前应考虑的问题【“。 手术机器人于1 9 9 7 年3 月在比利时布鲁塞尔s tp i e r r e 医院完成了第一例腹腔镜手 术胆囊切除术。随后几年里，手术机器人不仅完成了普外科，还有心脏外科、妇科 和泌尿外科的手术。目前，达芬奇和宙斯机器人的手术例数已超过了6 0 0 0 例，全世界 沈阳航空工业学院硕士学位论文 多家医院已安装了这两套机器人系统。而随着首例越洋机器人辅助手术的成功，国外远 程手术成功的例子就屡见不鲜了，如，m i e a l i 首先报道了5 例从意大利罗马到美国巴尔 的摩的机器人远程手术，4 例成功；c h e a h 等完成了自新加坡到巴尔的摩的远程腹腔镜 胆囊切除术。2 0 0 1 年7 月，自然杂志报道了世界首例从美国纽约到法国斯特拉斯堡 路易巴斯德的跨大西洋腹腔镜胆囊切除术也获得了成功，这是远程手术的一个里程碑， 标志外科手术跨时代的飞跃。 在国内，对远程机器人手术系统的研究也并不落后，很多医院引入了美国的宙斯机 器人手术系统，并积极进行利用机器人进行手术的尝试。最令国人兴奋的应该是国内首 例利用机器人做远程脑外科手术的成功，辽宁日报2 0 0 1 年8 月1 0 日报道，利用由北京 航空航天大学机器人研究所和海军总医院共同开发的遥操作远程医用机器人系统，海军 总医院副院长田增民教授在北京通过高速网络，控制沈阳的机器人“黎元”成功的为一 位病人完成了抽出脑部淤血的脑外科手术。预示着国内也已经开始大踏步的迈入远程遥 控医用机器人系统的研制与开发了。不过，应该看到目前医用机器人还处于初级发展阶 段，尚需不断完善，相信在不远的将来，随着机器人手术技术的不断成熟、信息网络技 术的飞速发展，外科专家无论身处何处，都能及时地为需要帮助的患者提供高质量的医 疗服务。远程机器人手术时代必然会来临并造福于人类。 1 1 2 语音识别研究状况概述 语音识别，简单地说，就是让机器能够听懂人说的话。具体地说，语音识别是机器 将语音信号转变为相应的文本文字或命令的技术，即将语音信号逐字逐句地翻译为相应 的书面语言，或对语音所包含的要求和命令做出正确的响应。一个完整的语音识别系统 包括很多部分，它首先从人说话的语音中提取特征，接着在声学层上将特征序列通过识 别翻译成音素的序列，然后根据字典、词典和语法中的组合信息将音素序列依次转化为 字序列、词序列和语句。有的时候，语音识别系统可能还需要通过语言模型中的信息来 分析句子的含义，并根据提取的关键信息从数据库中检索出正确的答案。语言中的信息 可以从低级到高级，由声学层、语义层、语言层的一系列模型来描述【3 】。语音识别系统 的基本的结构如图ll 所示。 语音识别的历史可以追溯到上个世纪五十年代初期。经过近5 0 年的发展，语音识 别的理论目臻完善，技术日益成熟，语音识别系统的性能也有了较大的提高。1 9 5 2 年， 沈阳航空工业学院硕士学位论文 b e l l 实验室的d a v i d 等人研制成功了可识别十个英文数字的语音识别器a u d r y 系统，这 是语音识别研究工作的真正开端。进入6 0 和7 0 年代，各种应用于语音识别、语音合成、 语音分析、语音编码等的技术和理论相继被提出并趋向成熟，如：动态规划( d p ) 和线 性预测分析( l p ) 技术、动态时间规整( d t w ) 技术、线性预测倒谱( l p c c ) 技术、 人工神经元网络( a n n ) 以及矢量量化( v q ) 和隐马尔可夫模型( h m m ) 理论等。进 入8 0 年代，国外各种针对上面技术和理论的成功应用越来越多，1 9 8 8 年，美国研制出 了非特定人、大词汇量、连续语音识别系统一s p 咖怄系统，它可以理解由1 0 0 0 个单 词构成的4 2 0 0 个句子，被认为是语音识别历史上的一个里程碑【4 】。9 0 年代初，i b m 公 司率先推出了v i a v o i c e ，标志着大词汇量、非特定人、连续语音识别技术正在趋于成熟。 与此同时，微软推出了w h i s p e r 系统，m i c r o s o r 和出m 又分别开发了应用于语音识别 系统二次开发的s d k 。近期，m 又开放了v i a v o i c e 语音识别系统的9 0 以上的源码， 进一步促进了语音识别技术的发展。 图1 1 语音识别系统的基本结构 我国语音识别研究的起步要比先进国家晚一点，但是进步很快，成果突出。6 0 年代 率先由中国科学院声学所从事这方面的研究工作，北京大学于1 9 7 9 年建立了由林熹先 生主持的语音实验室，用实验方法研究普通话语音，并开设“实验语音学”课程，培养 本科生和研究生。中国社会科学院民族研究所于1 9 8 6 年建立了语音实验室，研究我国 少数民族语音。随后，南开大学、北京师范大学、华东师范大学等大学中文系相继建立 了语音实验室。在台湾，中央研究院历史语言研究所，中正大学语言学研究所，台湾师 沈阳航空工业学院硕士学位论文 范大学英语系，交通大学外国语文学系，清华大学外语系，高雄师范学院特教系等相继 开展了语音识别的实验。香港中文大学于8 0 年代初开展了吴语和粤语及普通话语音的 研究，9 0 年代初在香港城市大学正式成立了语音实验室。近年来，对吴语和闽南语( 包 括台湾话) 语音研究日益活跃，成果颇丰。 鉴于中国语音技术市场的巨大，国外有很多大公司都推出了自己的中文语音产品， 并开始积极拓展中国市场。国内在中文语音技术上也有很大进展。中文进入国际七国语 言电话语音同声翻译计划。在8 6 3 计划的支持下，汉语语音合成关键技术方面有了一系 列重要创新和突破，研制成功了实用化的汉语文语转换系统，在汉语文语转换技术方面 达到了国际领先水平，实用化方面已走在世界前列【5 l 。 语音识别具有广阔的应用前景。自第一次工业革命以来，机器的出现替代了人类大 量的手工劳动，给人类的生活带来了很大的变化，经过两百多年的发展后，当今社会中， 机器更是在人类生产生活中无所不在，如工业控制系统、办公室自动化系统等，它们的 存在为人们带来了更为方便、舒适和高效的生活方式。为了使人对机器的控制以及机器 对人的反馈更为友善，人类需要研究智能化的机器。作为人们最直接、方便、自然的信 息交流手段之一的语音，理所应当地成为人机交流的重要媒介。将语音识别与语音合成 相结合，构成的“人机交互系统”即可完成智能化机器的接口。因此，只要有机器存在 的地方，就有语音识别应用的潜在可能。目前，语音识别技术已经在听写机、电话查询 系统、家电控制等诸多领域获得了充分的应用。相信经过研究者的不断努力，在攻克语 音识别中的主要难题后，语音识别技术将对人类的生活方式产生深远的影响。 1 2 语音识别技术在机器人手术网络遥控系统中的应用前景 语音识别可以应用到各种领域，在工业控制方面，在一些工作环境恶劣、对人身有 伤害的地方( 如地下、深水及辐射、高温等) 或手工难以操作的地方，均可通过语音发 出相应的控制命令，让机器设备完成各种工作。在医疗领域，主要的应用就是机器人手 术网络遥控系统，异地的专家医生可以通过语音命令控制远在千里万里的医用手术机器 人为病人进行手术。对病人而言，无论你在哪里，飞机、潜艇、偏远地区，甚至太空飞 船、外星基地等，只要那里有可以理解医生命令的手术机器人，方便快捷的网络环境， 随着远程手术系统的不断发展和完善，都可以得到及时有效的医治。相信随着语音识别 沈阳航空工业学院硕士学位论文 技术和远程机器人手术系统的日益完善和成熟，这种人性化、智能化的远程医疗系统必 将成为现实。 1 3 本文的主要内容及组织 本文主要是对机器人手术网络遥控系统中的语音识别和机械手控制两方面进行研 究与探讨，通过可行性分析，给出具体的实现方案。据此本论文共分为5 章， 第一章是引言，主要介绍了机器人手术网络遥控系统研究的概况、发展趋势等；除 此之外，还介绍了语音识别技术的概况、历史、国内外发展的现状及趋势等方面的内容， 并在此基础上，简单论述了在机器人手术网络遥控系统中引入语音识别技术的可行性和 必要性。 第二章通过对6 自由度医用手术机器人执行机构和控制系统的介绍，具体论述了如 何在网络环境下，利用p l c 控制手术机器人的各种动作。 第三章首先介绍了语音识别系统的组成，创建过程；然后介绍了语音识别中的关键 性技术；最后从宏观的角度论述了语音识别的应用。 第四章通过对机器人手术网络遥控系统的需求分析，针对网络控制机械手和语音识 别两方面给出本系统的总体设计方案，同时进行可行性分析。 第五章依据第四章中提出的设计方案对整个系统进行详细设计和编码实现以及对 调试过程等进行了较为详尽的阐述。 沈阳航空工业学院硕士学位论文 第2 章机器人网络控制技术 机器人是现代科学技术发展和人类不断增长的物质需求和精神需求的必然产物，因 为人们总是设法让机器来代替人做繁重复杂的工作，尤其是人类难以接近的工作，如远 距离或有害身体健康的工作等，从而发明了各种各样的机器。机器的发展和其他事物的 发展一样，遵循着由低级到高级的发展规律，机器发展的最高形式必然是机器人f 6 j 。而 遥控机器人已有二十多年的发展历史，它主要是在人的操纵下，能够在人类无法工作或 有害的环境中完成比较复杂的精细的操作的一种远距离操作系统【7 1 。而世界上最复杂、 最聪明的机器人就应该是美国宇航局2 0 0 4 年送上火星的火星探测器“勇气号”和“机 遇号”了，它们都带有很多的科学探测仪器及设备，高清晰彩色全景立体摄像机，以及 防震、防高温的外壳，灵巧的手脚等。而一亿两千万公里的远程控制，也应该是人类历 史上最远的一次网络遥控操作了。 2 1 机器人控制技术 机器人系统的基本结构如图2 1 所示，机器人系统是由机器人和作业对象及环境共 同构成的。机器人由机器人本体、控制器和软件三大部分构成；为获取作业对象及环境 信息还需要传感器系统。机器人的本体由机械手和移动机构两部分组成，单独存在的机 械手或移动机构也称为机器人。机械手是由手臂和末端执行器组成。手臂通过关节的运 动使末端执行器进行预定的运动或达到顶定的位置。末端执行器直接作用于任务对象， 它是手部、抓持机构、手爪及固定于手臂末端的工具等的总称。机器人的移动机构有轮 式、足式及特殊机构等各种类型( “。 机器人系统软件或 其它编程语言编写 的控制算法程序 控制器及 驱动器 机器人 本体 机器人内部传感器信息反馈 工作对象 如：病人 工作对象及环境信息反馈 图2 1 机器人系统的基本结构 沈阳航空工业学院硕士学位论文 2 1 16 自由度手术机器人简介 机器人本体除机械装置外一般还由软件、输入输出设备、驱动机构以及传感器系统 等组成。现在，几乎所有的机器人都采用微型计算机进行控制。从机器人控制角度要求 微型计算机具有数据处理能力强、灵活可靠、易于配置、价格低廉、体积小等特性。随 着微电子技术的发展，微型机性能不断提高，为实现机器人复杂的控制奠定了物质基础。 为实现对机器人的控制，除了具有强有力的计算机硬件系统支持外，还必须有相应的软 件。通过软件的支持，可以方便地让机器人执行控制程序，完成某一具体任务。 输入输出设备是人与机器人交互的工具。用于机器人控制器的输入输出设备主要 有：c r t 显示器、键盘、打印机、网络接口等。通过键盘可向控制器输人控制程序或命 令。c r t 及打印机可以输出系统的状态信息。通过网络接口可使控制器与远程计算机系 统通信，接收计算机传来的控制程序或运行、停止控制程序命令。 驱动器用于驱动机构本体各关节。目前驱动方式主要有气动、液压和伺服电机三种。 气动驱动具有成本低、控制简单的特点，但噪声大、输出小，难以准确地控制位置和速 度。液压驱动具有输出功率大、低速平稳、防爆等特点，但需要液压动力源。漏油及油 性变化将影响系统特性，成本较高。采用伺服电机驱动具有使用方便、易于控制的特点， 大多数工业机器人采用伺服电机驱动。伺服电动机还可分为直流伺服电机和交流伺服电 机。 机器人传感器按功能可分为内部状态和外部状态传感器两大类。内部状态传感器用 于检测各关节的位置、速度等变量，为闭环伺服控制提供反馈信息。常用的内部传感器 为光电码盘，也有采用电位器、旋转变压器、测速发电机的。外部状态传感器用于检测 机器人与周围环境之间的一些状态变量，如距离、接近程度和接触情况等，用于机器人 引导和物体识别及处理。使用外部传感器可使机器人以灵活的方式对它所处的环境做出 反应，赋予机器人以一定的智能【6 】。常用的外部传感器有视觉、触觉、力力矩传感器等。 为了使手部在机器人的工作空间内到达任意位置并实现任意姿态，机器人必须至少 有6 个自由度，以便实现位置和姿态的控制。对于某些专用机器人不需要6 个自由度， 应在满足要求的前提下尽量减少机器人的自由度数，以便减少机器人的复杂程度，降低 机器人制造成本。有些机器入的工作环境复杂，在工作时需回避障碍，可能需要具有7 个或7 个以上的自由度。这种机器人称为具有“冗余性”的机器人。针对本6 自由度医 沈阳航空工业学院硕士学位论文 用手术机器人，对于一些简单的外科手术，当拿起手术刀后，首先要将手术刀移动到病 人病灶处，分别可以左右移动，最大位移为1 l 米：上下移动，最大位移为o 5 米；前 后移动，最大位移为07 米。其次，当移动到合适的位置后，就要进行手术，需要的动 作可能有切、剜、挑等，由机器人肘部1 2 0 度上下旋转以及腕部3 6 0 度旋转配合前面的 移动动作完成最后的手术工作。另外，为了增加手术的精度和成功率，机器人的设计采 用目前流行的传感器和伺服电机以及控制器等元器件，使移动的位移可以精确到01 毫 米，旋转的角度可以精确到01 度。基本适合一些普通的外科手术。 2 1 2p l c 简介 p l c 作为一种新型的工业控制装置，在科研、生产、社会生活的诸多领域中得到了 越来越广泛的应用【”。要正确、合理地应用p l c 去完成手术机器人的控制任务，首先应 了解它的结构特点和工作原理，其次还要掌握至少一种p l c 编程语言。 2 1 2 1p l c 的结构 p l c 是以微处理器为核心与继电器及a i d 、d a 集成的电子系统，虽然各厂家产品 种类繁多，功能和指令系统存在差异，但其系统结构和工作原理大同小异。它一般主要 由中央处理单元c p u 、存储器、输入输出接口、电源、i o 扩展接口、外部设备接口、 编程器等几个主要部分构成。如果把p l c 本身看作个系统，外部的各种开关信号、 模拟信号、传感器信号均作为p l c 的输入变量，它们经p l c 的输入接口输入到内部数 据寄存器，然后在p l c 内部进行逻辑运算或数据处理后，以输出变量的形式送到输出 接口，进而驱动输出设备进行各种控制。 2 1 2 2p l c 的基本工作原理 p l c 虽然以微处理器为核心，具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很 大不同。微机一般采用等待命令和中断的工作方式，如常见的键盘扫描方式，当有键按 下时，则转入相应的子程序或中断服务程序，无键按下，则继续扫描等待。p l c 则是采 用“顺序扫描、不断循环”的方式进行工作的。当p l c 运行时，c p u 根据用户按控制 要求编制好存于用户存储器中的程序，按指令步序号作周期性的程序循环扫描，如果无 跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直到程序结束，然后重新返回 第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和 对输出状态的刷新等工作 9 1 。 沈阳航空工业学院硕士学位论文 2 1 2 3p l c 的编程软件 p l c 的软件包括系统软件和应用软件两大部分。系统软件包括系统的管理程序、用 户指令的解释程序、另外还包括一些供系统调用的专用标准子程序等。系统软件在用户1 使用可编程控制器之前就已经装入p l c 内，并永久保存，在各种控制工作中并不需要 做什么调整。应用软件是用户为达到某种控制目的，采用p l c 厂家提供的编程语言自 主开发的程序。应用程序是一定控制功能的表述。同一台p l c 用于不同的控制目的时 就需要编制不同的应用软件。用户软件存入p l c 后如需改变控制目的可多次改写 1 们。 应用程序的编制需使用可编程控制器生产厂方提供的编程语言。至今为止还没有一种能 适合于各种可编程控制器的通用编程语言。但由于各国可编程控制器的发展过程有类似 之处，可编程控制器的编程语言及编程工具都大体差不多。一般常见的有以下几种编程 语言的表达方式。 1 梯形图：梯形图语言是一种以图形符号及图形符号在图中的相互关系表示控制 关系的编程语言，是从继电器电路图演变过来的，是p l c 编程语言中使用最广泛的一 种语言。梯形图的结构和继电器电路图十分相似，但梯形图中的继电器等编程元件并不 是实际的物理元件，而只是计算机存储器中一定的位，它的所谓接通不过是相应存储单 元置l 而已。 2 指令表：也叫语句表。它和计算机程序中的汇编语占有点类似，由语句指令依 一定的顺序排列而成。一条指令一般可分为两部分，助记符和操作数。也有无操作数的 指令。指令表语言和梯形图有严格的对应关系。 3 顺序功能图常用来编制顺序控制类程序。顺序功能编程法可将一个复杂的控制 过程分解为一些小的工作状态，对这些小状态的功能分别处理后再把这些小状态依一定 的顺序控制要求连接组合成整体的控制程序。 4 功能块图：功能块图是一种类似于数字逻辑电路的编程语言。该编程语言用类 似与门，或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为 输出变量，输入端，输出端的小圆点表示“非”运算，信号自左向右流动。就像电路图 一样，它们被“导线”连接在一起。 5 高级编程语言：随着p l c 的飞速发展，如果许多高级功能还使用梯形图来表示， 会很不方便。为了增强p l c 的数学运算，数据处理，图表显示，报表打印等功能，方 沈阳航空工业学院硕士学位论文 便用户的使用，许多大中型p l c 都配备了p a s c a l 、b a s i c 、c 等高级编程语言儿1 。 2 2 网络控制技术 计算机网络是由某种传输介质，如电线或电缆所连接的一组计算机。它可以是家中 或办公室中通过双绞线所连接起来的两台计算机，也可以由全球不计其数的计算机组 成，相互间通过电缆、电话线和卫星建立连接。除可以连接个人计算机之外，网络还可 以连接打印机、传真机和电话系统等外部设备”1 。相对于个人计算机而言，网络最大的 优势就是允许多个用户共享设备和数据，即资源共享。现在，随着网络的高速发展，网 络的应用也越来越广泛，可以毫不夸张地说，它已经和人们的生活密切相关，和电视、 电话等家电设备一样，成为人们的生活必需品之一。 2 2 1 网络编程基础 2 2 1 1t c p i p t c p i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e r n e tp r o t o c o l ，传输控制协议网际协议) 起源于2 0 世纪6 0 年代末，是美国政府资助的一个分组交换网络研究项目，现在已发展 成为计算机之间最常用的网络协议。它是一个真正的开放系统，因为协议组件的定义及 其多种实现可以不用花钱或花很少的钱就可以公开地得到。它已成为i n t e m e t 的基础。 其开放系统互连模型( o s i ) 把计算机网络通信的组织与实现按功能划分为7 层，按通 信功能从高到低分别为：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物 理层。每一层协议建立在它的下层协议的基础上，同时又为其上层提供服务，完成上层 提交的任务。而对于实际的t c p f i p ，真正使用的是一个四层协议，应用层、传输层、网 络层和链路层。它的结构如图22 所示。 每一层的功能如下： 夺链路层：通常称为数据链路层，包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对 应的网络接口卡，它们一起处理与电缆或其它任何传输媒介的物理接口。该层包含地址 解析协议( a r p ) 和逆地址解析协议( r a r p ) 两种常用的协议。 令网络层：负责分组网络中的活动。包括p 、网际报文控制协议( i c m p ) 和网际 组多路广播协议( i ( m 毋) 。 夺传输层：为两台计算机上的应用程序提供端到端的数据通信，它分为两个不同 沈阳航空工业学院硕士学位论文 的协议：t c p ( 传输控制协议) u d p ( 用户数据报协议) 。t c p 提供端到端的质量保证 的数据传输，复杂数据的分组、质量控制和超时熏发等；而u d p 只是简单的把数据报 从一端发送到另一端，至于数据是否到达或按时到达、是否被破坏都必须由应用层来做。 应用层：负责处理实际的应用程序，包括t e l n e t ( 远程登录) 、h t t p ( w w w 服务) 和 s m t p ( 简单邮件传输协议) 等。 应用层 传输层 网络层 链路层 各种应用层协议( h t t p ，t e l n e t ，s m t p 等) t c pu d p i p 设备驱动程序及网卡( a r p , r a r p ) 图2 2t c p i p 的层次结构 2 2 1 2 套接字编程 2 0 世纪8 0 年代初，美国政府的高级研究工程机构( a r p a ) 给加利福尼亚大学 b e r k e l e y 分校提供了资金，让他们在u n i x 操作系统下实现t c p f l p 协议。在这个项目 中，研究人员为t c p ，i p 网络通信开发了一个应用程序接口( a p i ) 。这个a p i 就称为s o c k e t ( 套接字) 接口。今天，s o c k e t 接口是在i n t e m e t 上进行t c p i p 网络应用程序开发最为 通用的a p i ，是支持t c p i p 协议的网络通信的基本操作单元，它在计算机中提供了一 个通信端口。通过这个端口，一台计算机可以与任何一台具有套接字接口的计算机通信。 一个正在被使用的套接字都有它的类型和与其相关的进程。应用程序在网络上传输、接 收的信息都通过这个套接字来实现。在应用程序开发中就像使用文件的句柄一样，可以 对套接字句柄进行读写操作。 套接字有两种类型：流套接字和数据报套按字。 1 流套接字( s o c ks t r e a m ) 流套接字提供双向的、有序的、无重复的数据流服务，它适合于处理安全有质量的 大量数据。流套接字是面向连接的，通信双方进行数据交换之前，必须建立一条链路， 它是基于t c p 编程的套接字。 2 数据报套接字( s o c kd g r a m ) 沈阳航空工业学院硕士学位论文 数据报套接字支持双向的数据流，但并不保证数据传输的可靠性、有序性和无重复 性。它是无连接的，它不保证接收端是否在侦听，因此数据报并不可靠，需要程序员在 应用层编写程序来管理数据报的排序和可靠性1 ”1 。 2 2 2 网络命令传输 在开始编写基于套接字的网络应用程序之前，首先要清楚个概念：客户机，服务器 模型，它是在建立分布式应用时最常用的范例。在t c p f i p 网络应用中，通信的两个进 程间相互作用的主要模式是客户机j l 务器模式( c 1 i e n t s e r v e r ，简写为c s ) 。即客户向 服务器发出服务请求，服务器接收到请求后，提供相应的服务。c s 模式的建立基于以 下鼹点：首先，网络中软硬件资源、运算能力和信息不均等，需要共享，从而造就拥有 众多资源的主机提供服务，资源较少的客户请求服务这一非对等作用；其次，网间进程 通信完全是异步的，相互通信的进程问既不存在父子关系，又不共享内存缓冲区，在该 模型中，通信的每一方都有可能扮演主从角色，因此需要- t e p 机制为希望通信的进程问 建立联系，为两者的数据交换提供同步，这就是基于c s 模式的t c p i p 1 3 t1 4 1 。 由于w i n d o w ss o c k e t s 的服务是以动态链接库w i n s o c k d l l 的形式实现的，所以， 在进行套接字网络编程之前，一定要调用w s a s t a r h l p 函数对w i n s o c kd l l 进行初始化， 并分配必要的资源。如果在调用w i n s o c k 函数之前，没有加载其动态链接库，则会返回 s o c k e te r r o r 错误，w s a s t a r t u p 函数的原型为： i n tw s a s t a r t u p ( w o r dw v e r s i o n r e q u e s t e d , l p w s a d a t a w s a d a t a ) ； 当关闭应用程序时，调用w s a c l e a n u p 函数终止对w i n s o c kd l l 的使用，并释放相 应的资源。w s a c l e a n u p 函数原型为： i n tw s a c l e a n u p ( v o i d ) ； 由于本系统是用微软的v c6 0 开发的，有关w i n s o c kd l l 的加载，在v c 中，应 用程序初始化时调用函数a f x s o c k e t i n i t 即可，函数原型为： b o o l a f x s o c k e t i n i t ( w s a d a t a + l p w s a d a t a = n u l l ) ： 参数l p w s a d a t a 同w s a s t a r t u p 函数中的结构体w s a d a t a ，大部分调用时可以省 略参数或以n u l l 作为参数，v c 将按默认情况处理。应用程序退出时，v c 将自动处 理加载的动态链接库，释放相关的资源。下面介绍一下在v c6 0 中，基于流套接字和 数据报套接字编程时常用的函数。 沈阳航空工业学院硕士学位论文 2 2 2 1 流套接字编程 流套接字的服务器进程和客户机进程在通信前必须创建各自的套接字并建立连接， 然后才能对相应的套接字进行读写操作，实现数据的传输。 i 服务器端函数 创建套接字：服务器进程总是要先于客户机进程启动，通过调用s o c k e t 函数创建一 个流套接字，函数原型如下： s o c k e ts o c k e t ( i n ta f , i n tt y p e ，i n tp r o t o c 0 1 ) ； 其中。参数a f 用于指定网络域类型，一般取a fi n e t ，表示该套接字在i n t e r n e t 域中进行通信，a fu n i x 为u n i x 内部协议，a fi s o 为国际标准组织协议，a t rn s 为x e r o x 网络系统协议。参数t y p e 用于指定套接字类型，取s o c k _ s t r e a m 表示创建 流套接字，取s o c kd g r a m 表示创建数据报套接字。参数p r o t o c o l 指定网络协议号， 有些套接字类型( 肯定不是流套接字和数据报套接字) 能够让你在一种以上的协议中进 行选择，但是这种情况非常少见，几乎所有的套接字类型都只有一种协议，因此，绝大 部分情况下，该参数为0 。 绑定地址函数：将本地地址绑定到所创建的套接字上，以在网络中标识该套接字， 通过调用函数b i n d 来实现，函数原型如下： i n tb i n d ( s o c k e t 5 ，c o n s ts t r u c ts o c k a d d rf a r4 n a m e ，i n tn a m e l e n ) ： 其中，参数s 为一个未绑定的套接字的句柄，即前面s o c k e t 函数建立的句柄，它用 来等待客户机的连接。参数n a m e 是赋值给套接字的地址，由结构体s t r u c ts o c k a d d r 表示， 该结构体为： s t r u c ts o c k a d d rf us h o r t s af a m i l y , c h a r s a _ d a t a 1 4 ； ) ； 绝大部分情况下，将该结构体强制类型转换为另外一个更加常用的结构体 s o c k a d d ri n ，格式如下： s t r u c ts o c k a d d r i n ( s h o r t s i n _ f a m i l y ； 沈阳航空工业学院硕士学位论文 u s h o r ts i np o r t ； s t r u c t i n _ a d d rs i na d d r ； c h a r s i n z e r o 8 ； ) ； s a _ f a m i l y 固定为a c r n z t ，s i n _ _ p o r t 指定服务器的端口，在选择端口时注意，不要 使用操作系统已经为某些服务分配的固定端口，一般情况下，选择的端口值要大于1 0 2 4 ， s i na d d r 指定服务器的口地址，利用函数i n e ta d d r 将口地址转化为s t r u c ti na d d r 结 构进行赋值，s i nz e r o 表示要传递的由协议决定的地址的长度。参数n a m e l e n 表示变量 n a m e 的长度。 监听是否有连接：b i n d 函数只是将一个套接字和一个指定的地址关联在一起，让一 个套接字监听连接的函数为l i s t e n ，原型如下： i n tl i s t