弹药自动装填机器人系统的研究＊

李郁峰，潘玉田，郭保全，李科蕾

（中北大学 计算机与控制工程学院，山西 太原 030051）

0 引言

现有的大口径火炮一般都有半自动或全自动输弹机，可减轻人的部分体力劳动，但都是基于有人值守火炮射击的，未摆脱人工操作火炮的局面，并不能满足无人化武器系统的要求。弹药自动装填机器人技术是无人化火炮作战平台的关键技术之一，为此各国都在研究将机器人技术应用到大口径火炮自动装填系统中，以美国为首的发达国家已经取得了一定的研究成果。为了跟踪世界先进火炮自动装填技术，研究机器人弹药自动装填技术势在必行，这对实现无人化火炮作战系统具有深远的意义［1］。

1 弹药自动装填机器人系统结构

该系统采用5自由度机械手完成自动装填动作，并对弹药位置及其剩余情况进行记录，可根据上级指令在中央控制系统控制下自主选择弹和药，并选择最优路线完成供、输弹的动作，也可根据要求选择不同装药并自动完成引信装定。弹药自动装填机器人系统结构框图［2］如图1所示。

（1）智能化药仓：位于炮塔内的左侧，刚性药筒呈垂直布置，由药仓、选药器和传药器组成，分别完成贮存装药、选取发射时所装的药种以及运送装药至药仓出口处并将其传递给自动装填机械手。

（2）智能化弹仓：位于炮塔内的右侧，弹丸呈垂直布置，由弹仓、选弹器和传弹器组成，分别完成贮存炮弹、选取发射时所需弹种以及运送弹丸到弹仓出口处并将弹丸传递给自动装填机械手。

（3）机械手子系统：主要是自动装填机械手，用于把弹仓和药仓出口处的弹和药传送到炮尾后部并把弹和药准确无误地输送到炮膛内。

（4）控制与检测系统：主要完成对整个系统的控制与检测，是整个系统的大脑与神经中枢。

2 自动装填机械手子系统方案设计

弹药自动装填机械手为五自由度的连杆机构［3］，如图2所示，其主要由基座、大臂、小臂和手爪推进器组成。第1和第2个转动俯仰关节分别位于基座和大臂之间以及大臂和小臂之间，匀由电机驱动，将弹（药）从弹（药）仓出口处输送到炮尾输弹槽，实现对机械手末端手爪推进器位置的控制。腕关节（第3个转动俯仰关节）位于小臂和手爪之间，也由电机驱动并使弹（药）的轴线与炮膛轴线相重合，实现对机械手末端手爪推进器姿态的控制。机械手末端执行器上的手爪和导槽之间为平动副联结，在液压驱动下，手爪推动弹（药）沿着炮膛轴线平动，实现输弹（药）的任务。小臂中间带有一个偏转关节，用于装填弹和药之间的转换。所有转动关节匀由步进电机经谐波减速器进行驱动。整个自动装填机械手机构、弹仓、药仓及火炮随炮塔一起转动［4］。

图1 弹药自动装填机器人系统结构框图

3 自动装填机器人系统的运动学与动力学分析

根据炮塔的空间尺寸结构，定义机械手的总体尺寸，给出自动装填机械手的总体指标。采用D－H等方法建立系统的运动学模型，并对其进行运动学正向、逆向分析求解，得到各个关节在自动装填运动过程中发生的位移（包括角位移和线位移）。通过仿真得到的机器人手臂末端位移曲线如图3所示。

分别通过I－DEAS和ADA MS建立弹药自动装填机器人动力学模型，运用柔性多体系统动力学原理对弹药自动装填机器人系统进行动力学仿真［5］，得到驱动关节运动的电机转矩规律以及末端执行器上手爪推进器液压驱动推动力的变化趋势，从而可得到3个关节的运动速度和加速度，如图4～6所示，然后求出相应的关节驱动力矩。通过将仿真结果与预先规划的机械手末端目标轨迹相比较，进而完成对弹药自动装填机械手轨迹的准确控制，自动装填机器人动力学仿真模型如图7所示。

图2 自动装填机械手结构示意图

图3 机械手末端位移

图4 关节1的角位移、角速度和角加速度

图5 关节2的角位移、角速度和角加速度

图6 关节3的角位移、角速度和角加速度

图7 自动装填机器人动力学仿真模型

4 结论

本文以某大口径自行火炮总体技术研究项目为背景，对其自动装填系统方案进行了分析与研究。提出了一种新型火炮弹药自动装填机器人系统方案。将机器人技术应用到弹药自动装填系统中，对于完成大口径火炮50 kg以上弹药的自动装填任务具有很高的实用价值。在未来的战争中，机器人弹药自动装填技术具有广阔的应用空间，对于发展和研制我国无人化作战平台具有一定的参考价值。

［1］ 徐达，张丽明，张月林.大口径火炮自动装填技术研究［J］.火炮发射与控制，1996，32（3）：27－31.

［2］ 孙纯杰.大口径自行火炮弹药自动装填系统方案设计［D］.南京：南京理工大学，2005：25－35.

［3］ 陈恳，杨向东.机器人技术与应用［M］.北京：清华大学出版社，2006.

［4］ 马卫军.自行迫击炮自动供输弹机械手的设计及其动力学仿真分析［D］.南京：南京理工大学，2004：45－47.

［5］ 杨杰.供弹机器人的运动学及动力学特性分析［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008：6－25.