李郁峰，潘玉田，郭保全，李科蕾

（中北大學(xué) 計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引言

現(xiàn)有的大口徑火炮一般都有半自動(dòng)或全自動(dòng)輸彈機(jī)，可減輕人的部分體力勞動(dòng)，但都是基于有人值守火炮射擊的，未擺脫人工操作火炮的局面，并不能滿足無(wú)人化武器系統(tǒng)的要求。彈藥自動(dòng)裝填機(jī)器人技術(shù)是無(wú)人化火炮作戰(zhàn)平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)之一，為此各國(guó)都在研究將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到大口徑火炮自動(dòng)裝填系統(tǒng)中，以美國(guó)為首的發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)取得了一定的研究成果。為了跟蹤世界先進(jìn)火炮自動(dòng)裝填技術(shù)，研究機(jī)器人彈藥自動(dòng)裝填技術(shù)勢(shì)在必行，這對(duì)實(shí)現(xiàn)無(wú)人化火炮作戰(zhàn)系統(tǒng)具有深遠(yuǎn)的意義［1］。

1 彈藥自動(dòng)裝填機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用5自由度機(jī)械手完成自動(dòng)裝填動(dòng)作，并對(duì)彈藥位置及其剩余情況進(jìn)行記錄，可根據(jù)上級(jí)指令在中央控制系統(tǒng)控制下自主選擇彈和藥，并選擇最優(yōu)路線完成供、輸彈的動(dòng)作，也可根據(jù)要求選擇不同裝藥并自動(dòng)完成引信裝定。彈藥自動(dòng)裝填機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖［2］如圖1所示。

（1）智能化藥倉(cāng)：位于炮塔內(nèi)的左側(cè)，剛性藥筒呈垂直布置，由藥倉(cāng)、選藥器和傳藥器組成，分別完成貯存裝藥、選取發(fā)射時(shí)所裝的藥種以及運(yùn)送裝藥至藥倉(cāng)出口處并將其傳遞給自動(dòng)裝填機(jī)械手。

（2）智能化彈倉(cāng)：位于炮塔內(nèi)的右側(cè)，彈丸呈垂直布置，由彈倉(cāng)、選彈器和傳彈器組成，分別完成貯存炮彈、選取發(fā)射時(shí)所需彈種以及運(yùn)送彈丸到彈倉(cāng)出口處并將彈丸傳遞給自動(dòng)裝填機(jī)械手。

（3）機(jī)械手子系統(tǒng)：主要是自動(dòng)裝填機(jī)械手，用于把彈倉(cāng)和藥倉(cāng)出口處的彈和藥傳送到炮尾后部并把彈和藥準(zhǔn)確無(wú)誤地輸送到炮膛內(nèi)。

（4）控制與檢測(cè)系統(tǒng)：主要完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制與檢測(cè)，是整個(gè)系統(tǒng)的大腦與神經(jīng)中樞。

2 自動(dòng)裝填機(jī)械手子系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

彈藥自動(dòng)裝填機(jī)械手為五自由度的連桿機(jī)構(gòu)［3］，如圖2所示，其主要由基座、大臂、小臂和手爪推進(jìn)器組成。第1和第2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)俯仰關(guān)節(jié)分別位于基座和大臂之間以及大臂和小臂之間，勻由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，將彈（藥）從彈（藥）倉(cāng)出口處輸送到炮尾輸彈槽，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手末端手爪推進(jìn)器位置的控制。腕關(guān)節(jié)（第3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)俯仰關(guān)節(jié)）位于小臂和手爪之間，也由電機(jī)驅(qū)動(dòng)并使彈（藥）的軸線與炮膛軸線相重合，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手末端手爪推進(jìn)器姿態(tài)的控制。機(jī)械手末端執(zhí)行器上的手爪和導(dǎo)槽之間為平動(dòng)副聯(lián)結(jié)，在液壓驅(qū)動(dòng)下，手爪推動(dòng)彈（藥）沿著炮膛軸線平動(dòng)，實(shí)現(xiàn)輸彈（藥）的任務(wù)。小臂中間帶有一個(gè)偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，用于裝填彈和藥之間的轉(zhuǎn)換。所有轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)勻由步進(jìn)電機(jī)經(jīng)諧波減速器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。整個(gè)自動(dòng)裝填機(jī)械手機(jī)構(gòu)、彈倉(cāng)、藥倉(cāng)及火炮隨炮塔一起轉(zhuǎn)動(dòng)［4］。

圖1 彈藥自動(dòng)裝填機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 自動(dòng)裝填機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析

根據(jù)炮塔的空間尺寸結(jié)構(gòu)，定義機(jī)械手的總體尺寸，給出自動(dòng)裝填機(jī)械手的總體指標(biāo)。采用D－H等方法建立系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)正向、逆向分析求解，得到各個(gè)關(guān)節(jié)在自動(dòng)裝填運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生的位移（包括角位移和線位移）。通過仿真得到的機(jī)器人手臂末端位移曲線如圖3所示。

分別通過I－DEAS和ADA MS建立彈藥自動(dòng)裝填機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型，運(yùn)用柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理對(duì)彈藥自動(dòng)裝填機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真［5］，得到驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩規(guī)律以及末端執(zhí)行器上手爪推進(jìn)器液壓驅(qū)動(dòng)推動(dòng)力的變化趨勢(shì)，從而可得到3個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)速度和加速度，如圖4～6所示，然后求出相應(yīng)的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩。通過將仿真結(jié)果與預(yù)先規(guī)劃的機(jī)械手末端目標(biāo)軌跡相比較，進(jìn)而完成對(duì)彈藥自動(dòng)裝填機(jī)械手軌跡的準(zhǔn)確控制，自動(dòng)裝填機(jī)器人動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖7所示。

圖2 自動(dòng)裝填機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 機(jī)械手末端位移

圖4 關(guān)節(jié)1的角位移、角速度和角加速度

圖5 關(guān)節(jié)2的角位移、角速度和角加速度

圖6 關(guān)節(jié)3的角位移、角速度和角加速度

圖7 自動(dòng)裝填機(jī)器人動(dòng)力學(xué)仿真模型

4 結(jié)論

本文以某大口徑自行火炮總體技術(shù)研究項(xiàng)目為背景，對(duì)其自動(dòng)裝填系統(tǒng)方案進(jìn)行了分析與研究。提出了一種新型火炮彈藥自動(dòng)裝填機(jī)器人系統(tǒng)方案。將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)中，對(duì)于完成大口徑火炮50 kg以上彈藥的自動(dòng)裝填任務(wù)具有很高的實(shí)用價(jià)值。在未來的戰(zhàn)爭(zhēng)中，機(jī)器人彈藥自動(dòng)裝填技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用空間，對(duì)于發(fā)展和研制我國(guó)無(wú)人化作戰(zhàn)平臺(tái)具有一定的參考價(jià)值。

［1］ 徐達(dá)，張麗明，張?jiān)铝?大口徑火炮自動(dòng)裝填技術(shù)研究［J］.火炮發(fā)射與控制，1996，32（3）：27－31.

［2］ 孫純杰.大口徑自行火炮彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)［D］.南京：南京理工大學(xué)，2005：25－35.

［3］ 陳懇，楊向東.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［4］ 馬衛(wèi)軍.自行迫擊炮自動(dòng)供輸彈機(jī)械手的設(shè)計(jì)及其動(dòng)力學(xué)仿真分析［D］.南京：南京理工大學(xué)，2004：45－47.

［5］ 楊杰.供彈機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)特性分析［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2008：6－25.