地面武裝機(jī)器人發(fā)射動(dòng)力學(xué)仿真與分析

倪文彬，王榮林

（南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院，江蘇泰州225300）

機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，為地面武裝機(jī)器人的設(shè)計(jì)和研究提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。研制地面武裝機(jī)器人的目的，是減小人員傷亡，代替人在危險(xiǎn)、惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境執(zhí)行軍事任務(wù)，例如偵察、作戰(zhàn)、爆破等。該文設(shè)計(jì)了一種地面武裝機(jī)器人，該機(jī)器人搭載了輕武器發(fā)射系統(tǒng)，可用來(lái)執(zhí)行部分消防、反恐、防暴、滅火等危險(xiǎn)作業(yè)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與設(shè)計(jì)

本機(jī)器人系統(tǒng)分為移動(dòng)車體平臺(tái)及搭載平臺(tái)兩部分。在移動(dòng)載體設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行了傳動(dòng)系統(tǒng)、輪系結(jié)構(gòu)以及底盤進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在確定了搭載平臺(tái)自由度前提下，把搭載平臺(tái)分成方向機(jī)和高低機(jī)分別設(shè)計(jì)。最終三維效果圖如圖1所示。

圖1 移動(dòng)機(jī)器人載體及搭載平臺(tái)三維圖

該武裝機(jī)器人搭載平臺(tái)自身攜帶的兩個(gè)自由度，一個(gè)是繞垂直方向軸360°的旋轉(zhuǎn)自由度，即方向機(jī)；另一個(gè)是繞水平方向軸±180°的旋轉(zhuǎn)自由度，即高低機(jī)。通過(guò)這兩個(gè)自由度，一般的發(fā)射性裝置均能夠完成指定任務(wù)。二維隨動(dòng)搭載平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)自由度示意圖如圖2所示。

圖2 武裝機(jī)器人搭載平臺(tái)運(yùn)動(dòng)自由度示意圖

2 系統(tǒng)發(fā)射動(dòng)力學(xué)建模

2.1 系統(tǒng)描述

對(duì)該武裝機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，把車體、高低機(jī)、方向機(jī)、發(fā)射箱和彈分別設(shè)為剛體。為了便于研究，首先應(yīng)確定系統(tǒng)的拓?fù)錁?gòu)型，對(duì)于任意多體系統(tǒng)的拓?fù)錁?gòu)型表達(dá)方式而言，每個(gè)個(gè)體記作 Bi（i=1，2，…，N），N 為系統(tǒng)中剛體的個(gè)數(shù)，鉸用一條連接鄰接剛體的有向線段表示，記為Hj（j=1，2，…），B0表示系統(tǒng)外運(yùn)動(dòng)為已知的剛體。剛體和鉸按以下規(guī)則表示：

（1）與B0鄰接的剛體記為B1；

（2）各剛體的序號(hào)大于其內(nèi)接剛體的序號(hào)；

（3）各剛體與其內(nèi)接鉸有相同的序號(hào)；

（4）每個(gè)鉸的指向一律背離B0方向。

根據(jù)此規(guī)定，機(jī)器人系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可用圖3的方式表達(dá)。

圖3 多體系統(tǒng)拓?fù)潢P(guān)系

2.2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的建立[1]

移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，是進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)。

系統(tǒng)中各剛體坐標(biāo)系的建立：

則在整個(gè)系統(tǒng)中，任一剛體Bi的坐標(biāo)可表示為

剛體Bi的線速度和角速度可表示為

由式（2）知

系統(tǒng)中任一剛體的平動(dòng)動(dòng)能為

剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能為

剛體Bi在慣性坐標(biāo)系中的角速度為

式（6）中，Ai為坐標(biāo)變換矩陣。

將式（6）代入式（5），就可以得出剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能。對(duì)于任一剛體，已知其固連坐標(biāo)系的基點(diǎn)在慣性坐標(biāo)系的位置和歐拉角，就可以求取其動(dòng)能。

將以上的分級(jí)結(jié)果代入拉格朗日第一類方程

即可得系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程

式（7）中，T為系統(tǒng)動(dòng)能；q為系統(tǒng)廣義坐標(biāo)陣列；Q為廣義力矩陣；ρ為對(duì)應(yīng)于完整約束的拉氏乘子列陣；μ為對(duì)應(yīng)于非完整約束的拉氏乘子列陣。

3 系統(tǒng)在ADAMS中的仿真

將Pro/E中建立的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)三維實(shí)體模型導(dǎo)入ADAMS，對(duì)各零部件賦予質(zhì)量屬性，并用使用約束庫(kù)中的約束，來(lái)模擬各零部件之間的連接，通過(guò)這些約束限制構(gòu)件之間的某些相對(duì)運(yùn)動(dòng)[2]。移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)在ADAMS中模型如圖4所示。

圖4 移動(dòng)機(jī)器人在ADAMS環(huán)境下模型圖

3.1 齊次射擊振動(dòng)仿真

移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的火箭彈，在發(fā)射過(guò)程中采取一次擊發(fā)兩枚對(duì)稱火箭彈的方式，發(fā)射順序根據(jù)先上后下、從外到內(nèi)、左右交替或左右對(duì)稱的原則，射擊順序如圖5所示。

圖5 射擊順序示意圖

根據(jù)單次射擊的結(jié)果，將齊次發(fā)射的射擊間隔設(shè)為0.2 s。8發(fā)齊射的振動(dòng)仿真結(jié)果如下各圖所示。

（1）定向管位移時(shí)間函數(shù)（如圖6～圖8所示）。

（2）移動(dòng)機(jī)器人載體位移時(shí)間函數(shù)（如圖9～圖11所示）。

圖6 定向管管口x方向位移

圖7 定向管管口y方向位移

圖8 定向管管口z方向位移

圖9 移動(dòng)機(jī)器人車體x方向位移

圖10 移動(dòng)機(jī)器人車體y方向位移

圖11 移動(dòng)機(jī)器人車體z方向位移

3.2 仿真結(jié)果分析

火箭彈被分為4組進(jìn)行發(fā)射，因此定向器和車體出現(xiàn)了4次相似的振動(dòng)變化。每個(gè)周期內(nèi)的振動(dòng)情況與單次射擊時(shí)相似。火箭彈發(fā)射后，定向器和車體振動(dòng)逐漸衰減，直到0.2 s后擊發(fā)下一組火箭彈之前，影響火箭彈起始擾動(dòng)的參數(shù)，會(huì)衰減到一較小的范圍內(nèi)，沒有對(duì)下一組彈造成較大的振動(dòng)累加。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)地面武裝移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)建立發(fā)射動(dòng)力學(xué)方程，在ADAMS中的建模，并對(duì)模型賦予質(zhì)量信息，確定各部件的約束關(guān)系，根據(jù)發(fā)射的環(huán)境，對(duì)模型施加了合理的仿真載荷，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行了齊次發(fā)射仿真，確定了齊次發(fā)射的時(shí)間間隔，并制定了合理的齊次發(fā)射射序。通過(guò)發(fā)射動(dòng)力學(xué)分析，為機(jī)器人的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。

[1]劉又午，等.多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M].天津：天津大學(xué)出版社，1991.

[2]李增剛.ADAMS入門詳解與實(shí)例[M].北京：國(guó)防工業(yè)大學(xué)出版社，2008.

[3]張中利，于存貴，馬大為，柴華偉.火箭彈在定向管內(nèi)碰撞運(yùn)動(dòng)的仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19(4)：875-878.

[4]趙 崗，馬大為，方 帆.基于起始擾動(dòng)仿真的火箭炮動(dòng)力因素匹配研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2007，28(19)：4743-4746.

[5]楊 帆，王國(guó)平，芮筱亭，李德成，李蘇瀧，姚志軍.射擊間隔對(duì)多管火箭動(dòng)態(tài)特性的影響[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，30(4)：400-403.