李郁峰，潘玉田，郭保全，李科蕾

（中北大學 計算機與控制工程學院，山西 太原 030051）

0 引言

現(xiàn)有的大口徑火炮一般都有半自動或全自動輸彈機，可減輕人的部分體力勞動，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，并不能滿足無人化武器系統(tǒng)的要求。彈藥自動裝填機器人技術是無人化火炮作戰(zhàn)平臺的關鍵技術之一，為此各國都在研究將機器人技術應用到大口徑火炮自動裝填系統(tǒng)中，以美國為首的發(fā)達國家已經(jīng)取得了一定的研究成果。為了跟蹤世界先進火炮自動裝填技術，研究機器人彈藥自動裝填技術勢在必行，這對實現(xiàn)無人化火炮作戰(zhàn)系統(tǒng)具有深遠的意義［1］。

1 彈藥自動裝填機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用5自由度機械手完成自動裝填動作，并對彈藥位置及其剩余情況進行記錄，可根據(jù)上級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、輸彈的動作，也可根據(jù)要求選擇不同裝藥并自動完成引信裝定。彈藥自動裝填機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖［2］如圖1所示。

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

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

（3）機械手子系統(tǒng)：主要是自動裝填機械手，用于把彈倉和藥倉出口處的彈和藥傳送到炮尾后部并把彈和藥準確無誤地輸送到炮膛內(nèi)。

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

2 自動裝填機械手子系統(tǒng)方案設計

彈藥自動裝填機械手為五自由度的連桿機構(gòu)［3］，如圖2所示，其主要由基座、大臂、小臂和手爪推進器組成。第1和第2個轉(zhuǎn)動俯仰關節(jié)分別位于基座和大臂之間以及大臂和小臂之間，勻由電機驅(qū)動，將彈（藥）從彈（藥）倉出口處輸送到炮尾輸彈槽，實現(xiàn)對機械手末端手爪推進器位置的控制。腕關節(jié)（第3個轉(zhuǎn)動俯仰關節(jié)）位于小臂和手爪之間，也由電機驅(qū)動并使彈（藥）的軸線與炮膛軸線相重合，實現(xiàn)對機械手末端手爪推進器姿態(tài)的控制。機械手末端執(zhí)行器上的手爪和導槽之間為平動副聯(lián)結(jié)，在液壓驅(qū)動下，手爪推動彈（藥）沿著炮膛軸線平動，實現(xiàn)輸彈（藥）的任務。小臂中間帶有一個偏轉(zhuǎn)關節(jié)，用于裝填彈和藥之間的轉(zhuǎn)換。所有轉(zhuǎn)動關節(jié)勻由步進電機經(jīng)諧波減速器進行驅(qū)動。整個自動裝填機械手機構(gòu)、彈倉、藥倉及火炮隨炮塔一起轉(zhuǎn)動［4］。

圖1 彈藥自動裝填機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 自動裝填機器人系統(tǒng)的運動學與動力學分析

根據(jù)炮塔的空間尺寸結(jié)構(gòu)，定義機械手的總體尺寸，給出自動裝填機械手的總體指標。采用D－H等方法建立系統(tǒng)的運動學模型，并對其進行運動學正向、逆向分析求解，得到各個關節(jié)在自動裝填運動過程中發(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建立彈藥自動裝填機器人動力學模型，運用柔性多體系統(tǒng)動力學原理對彈藥自動裝填機器人系統(tǒng)進行動力學仿真［5］，得到驅(qū)動關節(jié)運動的電機轉(zhuǎn)矩規(guī)律以及末端執(zhí)行器上手爪推進器液壓驅(qū)動推動力的變化趨勢，從而可得到3個關節(jié)的運動速度和加速度，如圖4～6所示，然后求出相應的關節(jié)驅(qū)動力矩。通過將仿真結(jié)果與預先規(guī)劃的機械手末端目標軌跡相比較，進而完成對彈藥自動裝填機械手軌跡的準確控制，自動裝填機器人動力學仿真模型如圖7所示。

圖2 自動裝填機械手結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 機械手末端位移

圖4 關節(jié)1的角位移、角速度和角加速度

圖5 關節(jié)2的角位移、角速度和角加速度

圖6 關節(jié)3的角位移、角速度和角加速度

圖7 自動裝填機器人動力學仿真模型

4 結(jié)論

本文以某大口徑自行火炮總體技術研究項目為背景，對其自動裝填系統(tǒng)方案進行了分析與研究。提出了一種新型火炮彈藥自動裝填機器人系統(tǒng)方案。將機器人技術應用到彈藥自動裝填系統(tǒng)中，對于完成大口徑火炮50 kg以上彈藥的自動裝填任務具有很高的實用價值。在未來的戰(zhàn)爭中，機器人彈藥自動裝填技術具有廣闊的應用空間，對于發(fā)展和研制我國無人化作戰(zhàn)平臺具有一定的參考價值。

［1］ 徐達，張麗明，張月林.大口徑火炮自動裝填技術研究［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裝填系統(tǒng)方案設計［D］.南京：南京理工大學，2005：25－35.

［3］ 陳懇，楊向東.機器人技術與應用［M］.北京：清華大學出版社，2006.

［4］ 馬衛(wèi)軍.自行迫擊炮自動供輸彈機械手的設計及其動力學仿真分析［D］.南京：南京理工大學，2004：45－47.

［5］ 楊杰.供彈機器人的運動學及動力學特性分析［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2008：6－25.