三自由度的機械爬蟲的運動原理
隨著科學的發展，智能機器人在不知不覺中，逐步代替人類從事危險的工作，完成困難
的任務：從深入火場救人，到探索無盡宇宙，從指引盲人行走，到尋求未知生命......在各
個方面，我們都能看見智能機器人的身影。
仿生機器人在機器人范疇里是最吸引的一類，其運動模式完全模仿對象生物的形態和行
為，它可以在復雜的路面上行走，對提取物件進行精確的定位，在工業生產上有廣泛的應用，
特別在汽車裝配，半導體生產等高尖領域上更體現到它那不可替代的地位。
本來標準的6 足爬蟲應該有18 個自由度，但由于是價格高昂，在國內目前比較難推廣，
本實驗主要研究3 自由度的機械爬蟲的運動原理和避障功能。
現在，就讓我們由淺入深，共同揭開智能機器人神秘的面紗。
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3 自由度爬蟲進行編程使其實現
避障等運動功能并且能夠與PC 進行串行通信。
正如圖1-1 所示，PortA.0~PortA.2 分別控制3 個直流伺服電機，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 控制紅外傳感發射器。當其為
高電平時，傳感器發射紅外線。
PortB.5~PortB.7 以及RESET 和GND 構成了并行口下載線。
PortC.5 和PortC.7 分別控制兩個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，構成外部中斷。
下面我就從每個部分詳細的為大家分別介紹。
一．芯片I/O 端口
Atmel Mega8515L 芯片管腳圖如圖1-2 所示

AVR 單片機的I/O 端口都具有讀、寫和修改功能。
· 實時控制功能
所謂實時控制就是單片機能及時完成對受控對象的測量、計算、分析和控制，從而使受
控對象保持良好的工作狀態，并達到系統的使用要求。單片機的中斷技術使控制參量能隨時向計算機發出中斷請求，以完成對數據的及時處理，因此它是單片機實現實時控制功能的一
個必然要求。
· 實現單片機與低速外設的配合
由于許多外設的速度較慢，無法與單片機實現直接的數據狡猾，因此，必須采用中斷功
能來協調單片機與外設的速度。當單片機在執行程序的過程中，如要進行數據的輸出/輸出
操作，則單片機先發一個命令給外設，然后單片機繼續執行程序，當外設為數據交換準備好
以后，它向單片機發出中斷請求，這時，單片機暫時中止正在執行的程序，轉而執行中斷服
務程序中的數據輸入/輸出程序，數據交換完成后，單片機再返回繼續執行原來的程序。由
此可見，中斷技術實現了單片機與外設的速度配合，提高了單片機的工作效率，也提高了數
據交換的效率。
2． 單片機的中斷處理過程
單片機檢測外設或內部的中斷請求以后，要執行一些特定的操作，然后再轉去執行中斷服務
程序，中斷服務完成以后，單片機還必須更改一些寄存器的內容才可以返回到原有程序。詳
細的中斷處理過程如下：
· 現場保護
由于中斷服務程序的執行會破壞單片機內某些寄存器的內容，因此，為了避免中斷服務程序
完成后影響原有程序的執行，單片機必須要將有關寄存器的內容壓入 堆棧，也就是必須
進行現場保護
· 中斷服務程序
中斷服務程序是對中斷進行處理的一個子程序
· 現場恢復
中斷服務程序完成 ，為了使單片機返回到主程序中繼續執行，單片機必須將現場保護時保
存下來的內容從堆棧中彈出至響應的寄存器，也即現場恢復。
四．直流伺服電機的使用說明
標準的微型伺服馬達有三條控制線，分別為：電源、地及控制。電源線與地線用于提供
內部的直流馬達及控制線路所需的能源，電壓通常介于4~6 伏之間，該電源應盡可能與處理
系統的電源隔離（因為伺服馬達會產生噪音）。甚至小伺服馬達在重負載時也會拉低放大器
的電壓，所以整個系統的電源供應的比例必須合理。
入一個周期性的正向脈沖信號，這個周期性脈沖信號的高電平時間通常在1ms~2ms
之間，而低電平時間應在5ms~20ms 之間，并不很嚴格。通過不同的占空比可以控制電機軸承的位置。