一種室內(nèi)智能機(jī)器人靶車設(shè)計(jì)

王聿彪 陳冬波 張千偉

摘 要：設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)智能機(jī)器人靶車，其能攜帶一個(gè)平面半身多部位靶，實(shí)現(xiàn)多部位報(bào)靶功能，且能攜帶側(cè)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組件或起倒機(jī)構(gòu)組件，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中側(cè)轉(zhuǎn)或起倒等擬人動(dòng)作，還能根據(jù)激光雷達(dá)自主定位，實(shí)現(xiàn)靶車按預(yù)設(shè)路徑運(yùn)行的要求。靶車經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：智能機(jī)器人靶車;平面半身多部位靶;自主定位

0 ? ?引言

隨著當(dāng)前警用實(shí)彈戰(zhàn)術(shù)射擊實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練的推進(jìn)，對(duì)運(yùn)動(dòng)靶標(biāo)所模擬的假想敵的運(yùn)動(dòng)特性逼真度要求也越來(lái)越高，為此，本文設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)智能機(jī)器人靶車，其能攜帶一個(gè)平面半身多部位靶，實(shí)現(xiàn)多部位報(bào)靶功能，且能攜帶側(cè)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組件或起倒機(jī)構(gòu)組件，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中側(cè)轉(zhuǎn)或起倒等擬人動(dòng)作，還能根據(jù)激光雷達(dá)自主定位，在多種室內(nèi)靶場(chǎng)中按預(yù)設(shè)路徑或自主規(guī)劃路徑運(yùn)行，模擬假想敵目標(biāo)的多種特征。

1 ? ?設(shè)計(jì)要求

某項(xiàng)目要求研制一種室內(nèi)智能機(jī)器人靶車，該機(jī)器人靶車總重為60 kg，最大速度為4 m/s，能夠攜帶平面多部位靶，且能實(shí)現(xiàn)起倒功能[0°～90°（前向），起倒時(shí)間≯1 s]或側(cè)轉(zhuǎn)功能[0°～360°，側(cè)轉(zhuǎn)角速度≮180（°）/s]。

2 ? ?室內(nèi)智能機(jī)器人靶車組成及設(shè)計(jì)

室內(nèi)智能機(jī)器人靶車主要由機(jī)器人平臺(tái)、側(cè)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組件或起倒機(jī)構(gòu)組件、攝像頭云臺(tái)組件、激光雷達(dá)組件、平面多部位靶等部分組成，如圖1所示。機(jī)器人平臺(tái)主要負(fù)責(zé)靶車移動(dòng)，側(cè)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組件負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)靶標(biāo)側(cè)轉(zhuǎn)功能，起倒機(jī)構(gòu)組件負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)靶標(biāo)起倒功能，攝像頭云臺(tái)組件用于對(duì)訓(xùn)練人員進(jìn)行持續(xù)跟蹤，激光雷達(dá)組件用于建圖和自主定位，平面多部位靶實(shí)現(xiàn)多部位報(bào)靶功能。

2.1 ? ?機(jī)器人平臺(tái)設(shè)計(jì)

如圖2所示，機(jī)器人平臺(tái)所有零部件都固定在基板上，平臺(tái)主要由基板、輪轂電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、主控制器、鋰電池、萬(wàn)向輪等組成。

機(jī)器人平臺(tái)共有兩個(gè)輪轂電機(jī)，分別居中安裝在平臺(tái)兩側(cè)，負(fù)責(zé)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制，驅(qū)動(dòng)器為一拖二驅(qū)動(dòng)器，分別用來(lái)控制兩個(gè)輪轂電機(jī)。鋰電池負(fù)責(zé)給設(shè)備供電。在平臺(tái)四角分別安裝一個(gè)萬(wàn)向輪，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行支撐。輪轂電機(jī)安裝時(shí)設(shè)計(jì)了彈簧減震機(jī)構(gòu)，確保驅(qū)動(dòng)輪時(shí)刻與地面接觸，以防失去驅(qū)動(dòng)力。

2.2 ? ?機(jī)器人平臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率計(jì)算

室內(nèi)智能機(jī)器人靶車采用低壓直流無(wú)刷伺服輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)光電編碼器測(cè)量反饋、閉環(huán)控制。

在當(dāng)前速度v下，電機(jī)轉(zhuǎn)速為：

根據(jù)電機(jī)扭矩的輸出公式：

則車輪輸出力矩為：

其中x為驅(qū)動(dòng)電機(jī)個(gè)數(shù)，忽略風(fēng)阻對(duì)車體加速度的影響，車體的加速度為：

將式（4）進(jìn)行積分運(yùn)算，得到車體從靜止?fàn)顟B(tài)加速運(yùn)動(dòng)到最大速度的時(shí)間：

整理后得到加速時(shí)間為：

式中的電機(jī)功率P單位為瓦。已知η=0.85，m=60 kg，μ=0.02，vmax=4 m/s，把以上參數(shù)代入公式，并通過(guò)MATLAB程序仿真輸出電機(jī)功率-加速時(shí)間曲線圖，如圖3所示。設(shè)定靶車加速度為2 m/s2，換算成加速時(shí)間，即靶車從0加速到4 m/s需不大于2 s，對(duì)應(yīng)的總功率約為200 W?？紤]靶車在橡膠磚地面行駛，摩擦系數(shù)大，電機(jī)總功率應(yīng)留些余量，最終選擇總功率為320 W。

2.3 ? ?側(cè)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組件設(shè)計(jì)

如圖4所示，側(cè)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組件主要由側(cè)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)支架、側(cè)轉(zhuǎn)電機(jī)、蝸輪蝸桿減速器、光電開關(guān)、靶夾轉(zhuǎn)盤、導(dǎo)電滑環(huán)等組成。

側(cè)轉(zhuǎn)電機(jī)通過(guò)蝸輪蝸桿減速器傳動(dòng)后把動(dòng)力傳動(dòng)到靶夾轉(zhuǎn)盤，側(cè)轉(zhuǎn)靶夾固定在靶夾轉(zhuǎn)盤上，從而帶動(dòng)平面半身多部位靶旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)靶標(biāo)側(cè)轉(zhuǎn)功能。在蝸輪蝸桿減速器輸出軸另一端安裝一個(gè)光電開關(guān)，用于零位檢測(cè)。導(dǎo)電滑環(huán)用于側(cè)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組件與平面多部位靶板之間走線，防止側(cè)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時(shí)繞線。

2.4 ? ?起倒機(jī)構(gòu)組件設(shè)計(jì)

起倒機(jī)構(gòu)組件主要由起倒機(jī)構(gòu)支架、起倒電機(jī)、蝸輪蝸桿減速器、扭簧、光電開關(guān)、軸承座、靶夾法蘭等組成。

起倒電機(jī)通過(guò)蝸輪蝸桿減速器把動(dòng)力輸出到傳動(dòng)軸上，傳動(dòng)軸帶動(dòng)靶夾法蘭旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)靶標(biāo)起倒功能。扭簧用來(lái)縮小起靶時(shí)蝸輪蝸桿減速器間隙造成的晃動(dòng)。光電開關(guān)用于零位檢測(cè)。

2.5 ? ?平面半身多部位靶設(shè)計(jì)

室內(nèi)智能機(jī)器人靶車可安裝平面半身多部位靶。平面半身多部位靶采用多層導(dǎo)電布組合而成，主要用于室內(nèi)智能機(jī)器人靶車在復(fù)雜運(yùn)行軌跡下的全方位射擊訓(xùn)練。

當(dāng)子彈穿過(guò)平面半身多部位靶時(shí)，靶板可產(chǎn)生頭部、心部、胸部、腹部和其他部位5個(gè)報(bào)靶短路信號(hào)。

3 ? ?試驗(yàn)驗(yàn)證

智能機(jī)器人靶車經(jīng)過(guò)總裝調(diào)試后，進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)收。試驗(yàn)驗(yàn)收主要對(duì)靶車最大速度、側(cè)轉(zhuǎn)角度范圍和側(cè)轉(zhuǎn)角速度、起倒角度范圍和起倒角速度等主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試。

所選靶車驅(qū)動(dòng)電機(jī)為兩個(gè)160 W低壓伺服輪轂電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為500 r/min，輪胎直徑為0.169 m。故理論上靶車最大速度為：

用遙控器遙控靶車以最大速度向前直線運(yùn)行12 m，記錄靶車從第4米運(yùn)行到第9米（5 m）的時(shí)間t，重復(fù)采集3次，采集的時(shí)間分別為1.1 s、1.09 s、1.08 s，平均時(shí)間為1.09 s，則靶車最大速度約為4.6 m/s，滿足指標(biāo)要求。

所選靶車側(cè)轉(zhuǎn)電機(jī)為200 W低壓伺服電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，減速器減速比為60，故理論上側(cè)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組件側(cè)轉(zhuǎn)速度為：

即理論側(cè)轉(zhuǎn)角速度為299（°）/s。用遙控器遙控靶車以最大速度側(cè)轉(zhuǎn)299°，記錄時(shí)間t，重復(fù)采集3次，采集的時(shí)間分別為1.05 s、1.08 s、0.98 s，平均時(shí)間為1.04 s，則靶車實(shí)測(cè)側(cè)轉(zhuǎn)角速度為288（°）/s，大于指標(biāo)要求的180（°）/s。

所選靶車起倒電機(jī)為400 W低壓伺服電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，減速器減速比為60，與側(cè)轉(zhuǎn)電機(jī)測(cè)試方法相同，實(shí)測(cè)起倒電機(jī)起倒角速度同樣為288（°）/s，大于指標(biāo)要求的90（°）/s。

4 ? ?結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的室內(nèi)智能機(jī)器人靶車滿足指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)的側(cè)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組件和起倒機(jī)構(gòu)組件實(shí)現(xiàn)了靶標(biāo)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的側(cè)轉(zhuǎn)或起倒動(dòng)作，且通過(guò)加裝的激光雷達(dá)組件，機(jī)器人靶車能實(shí)現(xiàn)自主定位，從而實(shí)現(xiàn)靶車自主路徑規(guī)劃和跟蹤功能，大大提高了假想敵目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性和逼真程度。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 李建中，牛天宏，王兆旭，等.軌道式遙控靶車系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2006（4）：50-53.

收稿日期：2020-12-11

作者簡(jiǎn)介：王聿彪（1984—），男，江蘇南京人，工程師，研究方向：機(jī)器人設(shè)計(jì)。