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1、 智能机器人设计总设计师： 目的：设计以AT89S51为机器人核心的智能机器人摘要巡线机器人是一个复杂的机电一体化系统，涉及机械结构、自动控制、通信、传感器信息融合、电源技术等多个领域。自主巡线机器人能跨越线路附件、线塔等障碍物，实施大范围、长时间的线路巡检作业。本文介绍了一种沿高压电力线行走并自动跨越障碍物的巡线机器人，并详细介绍了这种机器人控制系统的硬件电路设计和软件编程，以及该系统硬件和软件的几种抗干扰措施，实现了计算机控制。本控制系统以AT89S51单片机为核心，根据传感器检测到的信号，分别控制11个直流电机正反转，完成巡线机器人的各种动作，按照预定的固定路线行走。此机器人具有自动检测
2、障碍，并跨越障碍物，准确行走、准确定位等特征，结构较简单，易于实现。关键词：机器人越障传感器检测抗干扰 目 录1 绪论11.1 机器人的发展概况11.2 课题的提出及意义31.3本设计的主要任务32 机器人的工作原理52.1机器人的机械结构52.2机器人的越障过程63 控制系统的硬件构成83.1概述83.2.1控制器的结构与组成93.2.2单片机引脚介绍103.2.3稳压电源113.2.4 复位电路123.2.5 时钟源133.3输入部分143.3.1光电传感器介绍143.3.2光电传感器信号的处理153.3.3限位开关输入的处理193.4输出部分193.4.2继电器的选择213.4.3用继电
3、器控制直流电机223.5硬件系统的抗干扰措施244 控制系统的软件编程254.1工作流程图254.2主程序274.3延时子程序的应用284.4软件编程的抗干扰措施294.4.1指令冗余技术30 4.4.2 拦截技术304.4.3软件看门狗技术31绪论1.1机器人的发展概况机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。机器人的应用越来越广泛，几乎渗透到所有领域。移动机器人是机器人学中的一个重要分支。对移动机器人的研究，出现了许多新的或挑战性的理论与工程技术课题，引起越来越多的专家学者和工程
4、技术人员的兴趣，更由于它在军事侦察、扫雷排险、防核化污染等危险与恶劣环境以及民用中的物料搬运上具有广阔的应用前景，使得对它的研究在世界各国受到普遍关注。机器人的研究，存在着两条不同的技术路线：一条是日本和瑞典所走的“需求牵引，技术驱动”，结合工业发展的需求，开发出一系列特定应用的机器人，如：弧焊、点焊、喷漆、装配、刷胶、建筑等等,从而形成了庞大的机器人产业；一条是把机器人作为研究人工智能的载体，即：单纯从技术上模仿人或动物的某些功能出发，研究有关智能的问题和智能机器人，如：美国、欧洲的一些大学及研究所进行的工作。移动机器人要想走向实用，必需拥有能胜任的运动系统、可靠的导航系统、精确的感知能力和
5、具有既安全而又友好地与人一起工作的能力。移动机器人的智能指标为自主性、适应性和交互性。适应性是指机器人具有适应复杂工作环境的能力(主要通过学习)，不但能识别和测量周围的物体，还有理解周围环境和所要执行任务的能力，并做出正确的判断及操作和移动等能力。自主性是指机器人能根据工作任务和周围环境情况，自己确定工作步骤和工作方式；交互是智能产生的基础，交互包括机器人与环境、机器人与人及机器人之间三种，主要涉及信息的获取、处理和理解。随着电子技术的飞速发展，机器人用传感器正走向成熟，计算机的计算能力正得到显著提高，移动机器人的关键技术得到深入而广泛的研究，并且部分已经走向成熟，移动机器人领域正处于一个激动
6、人心的时刻正一步一步走向人们生活的各个领域。当前，移动机器人系统及其关键技术研究的趋势包括：现场与服务机器人：继续开拓新的应用领域，研制新的机型，进行更多、更复杂、更符合实际的现场试验，积累更多的经验，吸取更多的教训，为实用化奠定坚实的基础。高完整性机器人：机器人工作时，不仅要与周围的设备共同工作，而且要与人一同工作，所以研制高完整性的机器人，有可能使其早日实用化。多移动机器人系统：多移动机器人系统的理论研究和工程实现已经成为机器人学的研究热点，这也是移动机器人发展的必然趋势。主动环境：目前制造一个完全自主的机器人是很困难的。就像人一样，需要帮助，需要借助外界的力量来完成自己的使命。因此，提出
7、主动环境的概念，即环境能为机器人提供所需的信息。所以，研究移动机器人与环境之间的有机结合，将会使其早日走向实用。人与机器人融合：人本身的智能，到今天也没有完全明白，机器人也就难以直接进化了。充分发挥人的智能，发展监控技术和良好的人机交互技术，甚至人机融入一体，是移动机器人走向实用的又一个途径。智能技术:应用于移动机器人研究的各个方面，涉及传统人工智能和新的人工智能。由于关于人的智能到目前还没有揭开它的面纱，所以，没有一个理论可以用来完全指导研究智能的实现技术。当前开发的各种智能技术，可用于不同的各个方面。今后的发展，除了继续寻找新的智能技术之外，主要是各种技术的综合运用，相互补充。移动机器人要
8、走向人类的日常生活，必须综合运用智能技术。包括智能运动控制技术、智能规划技术、智能行为技术以及它们的学习机制，这是机器人学中的关键基础研究。经过近几十年的发展，机器人已初步形成了一个近百万人的“王国”，机器人发展迅速，种类繁多，国际上依据其技术特点和规模大小的不同，对它们进行了分类。1990年在工业机器人国际标准大会上把机器人分为四类：（1）顺序型；很多固定作业的装配机械手都属于此类。（2）沿轨道作业型。这类机器人能执行受控过程。（3）远距离作业型。这类机器人可接受遥控，对操作者的行为反应可通过编程实现，应用于核工业、真空、宇宙、海洋开发等领域按应用领域。（4）适应型或者智能型。它们具有感知、
9、适应或学习功能。具体则可分为工业机器人、农业机器人、特种工作机器人、医疗机器人、体育机器人、讲解机器人、服务机器人、战场机器人、“小人国”机器人等等，其中“特种机器人”又可分为太空机器人、核工业机器人、深海机器人，以及救灾机器人等。在这个机器人王国中，目前主要成员是工业机器人，它占总数的70%以上，全球正在工作的工业机器人共有74万，我国有3000台左右。这只新兴工业大军的形成，必将为人类的工农业生产作出突出贡献。 工业机器人已经广泛地应用于各种自动化的生产线上，它是机器人家族中最重要的成员。最初主要是为了解决工业生产中的自动化问题，由机械手臂、控制装置、机座、能源装置和驱动装置等几部分构成。
10、工业机器人大部分在汽车制造、电子、机械等行业从事焊接、油漆、装配、包装、零件加工、搬运等专业性工作。机器人是人类创造的一种特殊机器，在生产和生活等方面，特别是在危险和极限环境作业中，有着广泛的应用前景。机器人正发展成为一个庞大的家族，代替人们从事各种各样的工作。1.2 课题的提出及意义移动机器人技术的发展，为架空电力线路巡检提供了新的移动平台。电力传输必须依靠高压输电线路，它的安全稳定运行直接影响电力系统的可靠性。由于输电线路分布点多、面广，绝大部分远离城镇，所处地形复杂，会受到持续的机械张力、材料老化的影响而产生断股、磨损、磨蚀等损伤，不及时修复更换，最终导致严重事故。所以必须对输电线路进行
11、定期巡视检查。目前, 国内巡线的方法主要依靠巡视人员的目测，很难达到理想的效果，特别是在地形复杂的山区，不仅巡线人员体力消耗大，而且效率也非常低；另外，在一些特殊的工作场合中，如铁路电力机车供电系统，巡视人员在工作时人身安全常常受到威胁；一些国家由巡线工人乘坐悬挂在架空线上的吊篮进行巡视，效率非常低下。因此，人工巡线效率低，劳动强度大，同时受到地理条件的限制。采用机器人自动巡线成为保障高压输电线安全运行的一种必要手段。巡线机器人的能够在高压输电线上稳定爬行，具有一定的爬行速度；能够避越高压线上的线夹、防震锤等障碍；在故障情况下有可靠的紧急安全措施。同时还要求巡线机器人具有重量轻、结构紧凑、便于
12、携带的特点。巡线机器人能够带电工作，利用携带的传感仪器对杆塔、导线及避雷线、绝缘子、线路金具、线路通道等实施接近检测，代替工人进行电力线路的巡检工作，可以进一步提高巡线的工作效率和巡检精度。因此，巡线机器人成为巡线技术研究的热点。本设计选择的巡线机器人是当今社会机器人研究的热点课题，这种类型的机器人能够在高压线等各种危险和极限环境中作业，应用广泛。此外，本课题是为了学习知识的需要，设计简单，仅在实验室提供的机器人机构的基础上完成并调试，与具体外界环境应用中的机器人还有很大差距，有待于进一步地研究与设计。1.3本设计的主要任务 本文主要结合巡线机器人的性能要求及工作环境来确定该机器人控制系统的组
13、成结构，以AT89S51单片机为核心，完成硬件电路的设计和软件编程，实现机器人的计算机控制。此外，还详细地介绍了该控制系统的几种硬件和软件抗干扰措施，以消除环境噪声带来的影响，提高机器人控制系统地的可靠性与适应性，达到系统的最优化结构，更好地完成预巡检任务。本设计的主要任务包括以下几个方面：（1）巡线机器人越障过程分析；（2）以AT89S51单片机为核心的控制系统硬件设计；（3）软件编程；（4）硬件和软件的抗干扰设计。通过本次设计，掌握了51单片机控制系统的硬件设计与程序调试，最终实现了巡线机器人的自动越障功能，达到了设计要求。2 机器人的工作原理2.1机器人的机械结构巡线机器人是一个机电一体
14、化系统，涉及到机构、控制、通信、定位系统、移动平台上传感器的集成和信息融合、电源等，而机械机构是整个系统的基础，也是目前制约巡线机器人发展的技术障碍之一。 巡线机器人机械机构的设计要求是：（1）能在架空高压线上以期望的速度平稳爬行；（2）具有一定的爬坡能力；（3）能够避越高压线路上的防震锤、线夹、绝缘子、线塔等障碍；（4）在故障情况下有可靠的自保安措施，防止机器人摔落；（5）提供足够的空间安装所携带的电源以及探测、记录和分析处理仪器。 本设计的巡线机器人机械结构如图2.1所示，它主要由机器人机身、控制箱、滑轮、光电传感器、限位开关和直流电机等组成，还包括一个手动控制器。其中，控制箱部分相当于机
15、器人的大脑，机械部分等同于机器人的躯体，根据接收到的光电传感器和限位开关信号，控制器发出信号控制电机的起停及正反转，最终完成巡线机器人的越障动作。此巡线机器人应用步进式爬行机构，可实现在管线上爬行，该机构通过三只手臂的交替移动完成爬行。越障机构是巡线机器人机械结构的关键。由于机器人悬挂在架空线上,越障时应保证机器人姿态平稳,并保持与其它导线和线塔金属部件的安全间距,因此设计难度较大。本设计采用了仿人攀援的手臂越障机构,姿态控制较为复杂。机械臂上部为爬行驱动机构,下部通过旋转关节相互链接。遇到障碍时,机械臂之间相互配合,采用仿人攀援策略调整姿态,跨越障碍。由于采用多只多自由度机械臂,机器人可以完成复杂的空中姿态调整,因而可跨越各种类型的线路障碍。机械结构的设计主要是越障机构机械臂的设计。三只手臂均可完成升降、张开、闭合等动作，分别由驱动电机提供动力源。其中，手臂的
