三自由度的机械爬虫的运动原理

三自由度的机械爬虫的运动原理
随着科学的发展，智能机器人在不知不觉中，逐步代替人类从事危险的工作，完成困难
的任务：从深入火场救人，到探索无尽宇宙，从指引盲人行走，到寻求未知生命......在各
个方面，我们都能看见智能机器人的身影。
仿生机器人在机器人范畴里是最吸引的一类，其运动模式完全模仿对象生物的形态和行
为，它可以在复杂的路面上行走，对提取物件进行精确的定位，在工业生产上有广泛的应用，
特别在汽车装配，半导体生产等高尖领域上更体现到它那不可替代的地位。
本来标准的6 足爬虫应该有18 个自由度，但由于是价格高昂，在国内目前比较难推广，
本实验主要研究3 自由度的机械爬虫的运动原理和避障功能。
现在，就让我们由浅入深，共同揭开智能机器人神秘的面纱。
硬件连接以及芯片介绍
我们先来了解一下控制3 自由度机械爬虫的基本电路.(见下图)

我们采用Atmel mega8515L 芯片以及Max232 芯片。对3 自由度爬虫进行编程使其实现
避障等运动功能并且能够与PC 进行串行通信。
正如图1-1 所示，PortA.0~PortA.2 分别控制3 个直流伺服电机，他们的顺序是爬虫左脚
（前、后），爬虫中间两只脚，爬虫右脚（前、后）。PortA.7 控制红外传感发射器。当其为
高电平时，传感器发射红外线。
PortB.5~PortB.7 以及RESET 和GND 构成了并行口下载线。
PortC.5 和PortC.7 分别控制两个LED 指示灯。
PortD.0 和PortD.1 分别与MAX232 相连接。具体用途将在下文说明。PortD.2 与红外线
接受组件相连，构成外部中断。
下面我就从每个部分详细的为大家分别介绍。
一．芯片I/O 端口
Atmel Mega8515L 芯片管脚图如图1-2 所示

AVR 单片机的I/O 端口都具有读、写和修改功能。
· 实时控制功能
所谓实时控制就是单片机能及时完成对受控对象的测量、计算、分析和控制，从而使受
控对象保持良好的工作状态，并达到系统的使用要求。单片机的中断技术使控制参量能随时向计算机发出中断请求，以完成对数据的及时处理，因此它是单片机实现实时控制功能的一
个必然要求。
· 实现单片机与低速外设的配合
由于许多外设的速度较慢，无法与单片机实现直接的数据狡猾，因此，必须采用中断功
能来协调单片机与外设的速度。当单片机在执行程序的过程中，如要进行数据的输出/输出
操作，则单片机先发一个命令给外设，然后单片机继续执行程序，当外设为数据交换准备好
以后，它向单片机发出中断请求，这时，单片机暂时中止正在执行的程序，转而执行中断服
务程序中的数据输入/输出程序，数据交换完成后，单片机再返回继续执行原来的程序。由
此可见，中断技术实现了单片机与外设的速度配合，提高了单片机的工作效率，也提高了数
据交换的效率。
2． 单片机的中断处理过程
单片机检测外设或内部的中断请求以后，要执行一些特定的操作，然后再转去执行中断服务
程序，中断服务完成以后，单片机还必须更改一些寄存器的内容才可以返回到原有程序。详
细的中断处理过程如下：
· 现场保护
由于中断服务程序的执行会破坏单片机内某些寄存器的内容，因此，为了避免中断服务程序
完成后影响原有程序的执行，单片机必须要将有关寄存器的内容压入 堆栈，也就是必须
进行现场保护
· 中断服务程序
中断服务程序是对中断进行处理的一个子程序
· 现场恢复
中断服务程序完成 ，为了使单片机返回到主程序中继续执行，单片机必须将现场保护时保
存下来的内容从堆栈中弹出至响应的寄存器，也即现场恢复。
四．直流伺服电机的使用说明
标准的微型伺服马达有三条控制线，分别为：电源、地及控制。电源线与地线用于提供
内部的直流马达及控制线路所需的能源，电压通常介于4~6 伏之间，该电源应尽可能与处理
系统的电源隔离（因为伺服马达会产生噪音）。甚至小伺服马达在重负载时也会拉低放大器
的电压，所以整个系统的电源供应的比例必须合理。
入一个周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1ms~2ms
之间，而低电平时间应在5ms~20ms 之间，并不很严格。通过不同的占空比可以控制电机轴承的位置。