三自由度的機(jī)械爬蟲的運(yùn)動(dòng)原理

三自由度的機(jī)械爬蟲的運(yùn)動(dòng)原理
隨著科學(xué)的發(fā)展，智能機(jī)器人在不知不覺中，逐步代替人類從事危險(xiǎn)的工作，完成困難
的任務(wù)：從深入火場(chǎng)救人，到探索無盡宇宙，從指引盲人行走，到尋求未知生命......在各
個(gè)方面，我們都能看見智能機(jī)器人的身影。
仿生機(jī)器人在機(jī)器人范疇里是最吸引的一類，其運(yùn)動(dòng)模式完全模仿對(duì)象生物的形態(tài)和行
為，它可以在復(fù)雜的路面上行走，對(duì)提取物件進(jìn)行精確的定位，在工業(yè)生產(chǎn)上有廣泛的應(yīng)用，
特別在汽車裝配，半導(dǎo)體生產(chǎn)等高尖領(lǐng)域上更體現(xiàn)到它那不可替代的地位。
本來標(biāo)準(zhǔn)的6 足爬蟲應(yīng)該有18 個(gè)自由度，但由于是價(jià)格高昂，在國(guó)內(nèi)目前比較難推廣，
本實(shí)驗(yàn)主要研究3 自由度的機(jī)械爬蟲的運(yùn)動(dòng)原理和避障功能。
現(xiàn)在，就讓我們由淺入深，共同揭開智能機(jī)器人神秘的面紗。
硬件連接以及芯片介紹
我們先來了解一下控制3 自由度機(jī)械爬蟲的基本電路.(見下圖)

我們采用Atmel mega8515L 芯片以及Max232 芯片。對(duì)3 自由度爬蟲進(jìn)行編程使其實(shí)現(xiàn)
避障等運(yùn)動(dòng)功能并且能夠與PC 進(jìn)行串行通信。
正如圖1-1 所示，PortA.0~PortA.2 分別控制3 個(gè)直流伺服電機(jī)，他們的順序是爬蟲左腳
（前、后），爬蟲中間兩只腳，爬蟲右腳（前、后）。PortA.7 控制紅外傳感發(fā)射器。當(dāng)其為
高電平時(shí)，傳感器發(fā)射紅外線。
PortB.5~PortB.7 以及RESET 和GND 構(gòu)成了并行口下載線。
PortC.5 和PortC.7 分別控制兩個(gè)LED 指示燈。
PortD.0 和PortD.1 分別與MAX232 相連接。具體用途將在下文說明。PortD.2 與紅外線
接受組件相連，構(gòu)成外部中斷。
下面我就從每個(gè)部分詳細(xì)的為大家分別介紹。
一．芯片I/O 端口
Atmel Mega8515L 芯片管腳圖如圖1-2 所示

AVR 單片機(jī)的I/O 端口都具有讀、寫和修改功能。
· 實(shí)時(shí)控制功能
所謂實(shí)時(shí)控制就是單片機(jī)能及時(shí)完成對(duì)受控對(duì)象的測(cè)量、計(jì)算、分析和控制，從而使受
控對(duì)象保持良好的工作狀態(tài)，并達(dá)到系統(tǒng)的使用要求。單片機(jī)的中斷技術(shù)使控制參量能隨時(shí)向計(jì)算機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求，以完成對(duì)數(shù)據(jù)的及時(shí)處理，因此它是單片機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制功能的一
個(gè)必然要求。
· 實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與低速外設(shè)的配合
由于許多外設(shè)的速度較慢，無法與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)直接的數(shù)據(jù)狡猾，因此，必須采用中斷功
能來協(xié)調(diào)單片機(jī)與外設(shè)的速度。當(dāng)單片機(jī)在執(zhí)行程序的過程中，如要進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸出/輸出
操作，則單片機(jī)先發(fā)一個(gè)命令給外設(shè)，然后單片機(jī)繼續(xù)執(zhí)行程序，當(dāng)外設(shè)為數(shù)據(jù)交換準(zhǔn)備好
以后，它向單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求，這時(shí)，單片機(jī)暫時(shí)中止正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷服
務(wù)程序中的數(shù)據(jù)輸入/輸出程序，數(shù)據(jù)交換完成后，單片機(jī)再返回繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。由
此可見，中斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與外設(shè)的速度配合，提高了單片機(jī)的工作效率，也提高了數(shù)
據(jù)交換的效率。
2． 單片機(jī)的中斷處理過程
單片機(jī)檢測(cè)外設(shè)或內(nèi)部的中斷請(qǐng)求以后，要執(zhí)行一些特定的操作，然后再轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)
程序，中斷服務(wù)完成以后，單片機(jī)還必須更改一些寄存器的內(nèi)容才可以返回到原有程序。詳
細(xì)的中斷處理過程如下：
· 現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)
由于中斷服務(wù)程序的執(zhí)行會(huì)破壞單片機(jī)內(nèi)某些寄存器的內(nèi)容，因此，為了避免中斷服務(wù)程序
完成后影響原有程序的執(zhí)行，單片機(jī)必須要將有關(guān)寄存器的內(nèi)容壓入 堆棧，也就是必須
進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)
· 中斷服務(wù)程序
中斷服務(wù)程序是對(duì)中斷進(jìn)行處理的一個(gè)子程序
· 現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)
中斷服務(wù)程序完成 ，為了使單片機(jī)返回到主程序中繼續(xù)執(zhí)行，單片機(jī)必須將現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)時(shí)保
存下來的內(nèi)容從堆棧中彈出至響應(yīng)的寄存器，也即現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)。
四．直流伺服電機(jī)的使用說明
標(biāo)準(zhǔn)的微型伺服馬達(dá)有三條控制線，分別為：電源、地及控制。電源線與地線用于提供
內(nèi)部的直流馬達(dá)及控制線路所需的能源，電壓通常介于4~6 伏之間，該電源應(yīng)盡可能與處理
系統(tǒng)的電源隔離（因?yàn)樗欧R達(dá)會(huì)產(chǎn)生噪音）。甚至小伺服馬達(dá)在重負(fù)載時(shí)也會(huì)拉低放大器
的電壓，所以整個(gè)系統(tǒng)的電源供應(yīng)的比例必須合理。
入一個(gè)周期性的正向脈沖信號(hào)，這個(gè)周期性脈沖信號(hào)的高電平時(shí)間通常在1ms~2ms
之間，而低電平時(shí)間應(yīng)在5ms~20ms 之間，并不很嚴(yán)格。通過不同的占空比可以控制電機(jī)軸承的位置。