王聿彪 陳冬波 張千偉

摘 要：設計了一種室內智能機器人靶車，其能攜帶一個平面半身多部位靶，實現(xiàn)多部位報靶功能，且能攜帶側轉機構組件或起倒機構組件，實現(xiàn)運動過程中側轉或起倒等擬人動作，還能根據(jù)激光雷達自主定位，實現(xiàn)靶車按預設路徑運行的要求。靶車經(jīng)過設計計算確定驅動電機參數(shù)，并通過試驗驗證，滿足設計要求。

關鍵詞：智能機器人靶車;平面半身多部位靶;自主定位

0 ? ?引言

隨著當前警用實彈戰(zhàn)術射擊實戰(zhàn)化訓練的推進，對運動靶標所模擬的假想敵的運動特性逼真度要求也越來越高，為此，本文設計了一種室內智能機器人靶車，其能攜帶一個平面半身多部位靶，實現(xiàn)多部位報靶功能，且能攜帶側轉機構組件或起倒機構組件，實現(xiàn)運動過程中側轉或起倒等擬人動作，還能根據(jù)激光雷達自主定位，在多種室內靶場中按預設路徑或自主規(guī)劃路徑運行，模擬假想敵目標的多種特征。

1 ? ?設計要求

某項目要求研制一種室內智能機器人靶車，該機器人靶車總重為60 kg，最大速度為4 m/s，能夠攜帶平面多部位靶，且能實現(xiàn)起倒功能[0°～90°（前向），起倒時間≯1 s]或側轉功能[0°～360°，側轉角速度≮180（°）/s]。

2 ? ?室內智能機器人靶車組成及設計

室內智能機器人靶車主要由機器人平臺、側轉機構組件或起倒機構組件、攝像頭云臺組件、激光雷達組件、平面多部位靶等部分組成，如圖1所示。機器人平臺主要負責靶車移動，側轉機構組件負責實現(xiàn)靶標側轉功能，起倒機構組件負責實現(xiàn)靶標起倒功能，攝像頭云臺組件用于對訓練人員進行持續(xù)跟蹤，激光雷達組件用于建圖和自主定位，平面多部位靶實現(xiàn)多部位報靶功能。

2.1 ? ?機器人平臺設計

如圖2所示，機器人平臺所有零部件都固定在基板上，平臺主要由基板、輪轂電機、驅動器、主控制器、鋰電池、萬向輪等組成。

機器人平臺共有兩個輪轂電機，分別居中安裝在平臺兩側，負責平臺的運動控制，驅動器為一拖二驅動器，分別用來控制兩個輪轂電機。鋰電池負責給設備供電。在平臺四角分別安裝一個萬向輪，對平臺進行支撐。輪轂電機安裝時設計了彈簧減震機構，確保驅動輪時刻與地面接觸，以防失去驅動力。

2.2 ? ?機器人平臺驅動電機功率計算

室內智能機器人靶車采用低壓直流無刷伺服輪轂電機驅動，通過光電編碼器測量反饋、閉環(huán)控制。

在當前速度v下，電機轉速為：

根據(jù)電機扭矩的輸出公式：

則車輪輸出力矩為：

其中x為驅動電機個數(shù)，忽略風阻對車體加速度的影響，車體的加速度為：

將式（4）進行積分運算，得到車體從靜止狀態(tài)加速運動到最大速度的時間：

整理后得到加速時間為：

式中的電機功率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MATLAB程序仿真輸出電機功率-加速時間曲線圖，如圖3所示。設定靶車加速度為2 m/s2，換算成加速時間，即靶車從0加速到4 m/s需不大于2 s，對應的總功率約為200 W?？紤]靶車在橡膠磚地面行駛，摩擦系數(shù)大，電機總功率應留些余量，最終選擇總功率為320 W。

2.3 ? ?側轉機構組件設計

如圖4所示，側轉機構組件主要由側轉機構支架、側轉電機、蝸輪蝸桿減速器、光電開關、靶夾轉盤、導電滑環(huán)等組成。

側轉電機通過蝸輪蝸桿減速器傳動后把動力傳動到靶夾轉盤，側轉靶夾固定在靶夾轉盤上，從而帶動平面半身多部位靶旋轉，實現(xiàn)靶標側轉功能。在蝸輪蝸桿減速器輸出軸另一端安裝一個光電開關，用于零位檢測。導電滑環(huán)用于側轉機構組件與平面多部位靶板之間走線，防止側轉機構旋轉時繞線。

2.4 ? ?起倒機構組件設計

起倒機構組件主要由起倒機構支架、起倒電機、蝸輪蝸桿減速器、扭簧、光電開關、軸承座、靶夾法蘭等組成。

起倒電機通過蝸輪蝸桿減速器把動力輸出到傳動軸上，傳動軸帶動靶夾法蘭旋轉運動，從而實現(xiàn)靶標起倒功能。扭簧用來縮小起靶時蝸輪蝸桿減速器間隙造成的晃動。光電開關用于零位檢測。

2.5 ? ?平面半身多部位靶設計

室內智能機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電布組合而成，主要用于室內智能機器人靶車在復雜運行軌跡下的全方位射擊訓練。

當子彈穿過平面半身多部位靶時，靶板可產(chǎn)生頭部、心部、胸部、腹部和其他部位5個報靶短路信號。

3 ? ?試驗驗證

智能機器人靶車經(jīng)過總裝調試后，進行了試驗驗收。試驗驗收主要對靶車最大速度、側轉角度范圍和側轉角速度、起倒角度范圍和起倒角速度等主要技術指標進行了測試。

所選靶車驅動電機為兩個160 W低壓伺服輪轂電機，額定轉速為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行12 m，記錄靶車從第4米運行到第9米（5 m）的時間t，重復采集3次，采集的時間分別為1.1 s、1.09 s、1.08 s，平均時間為1.09 s，則靶車最大速度約為4.6 m/s，滿足指標要求。

所選靶車側轉電機為200 W低壓伺服電機，額定轉速為3 000 r/min，減速器減速比為60，故理論上側轉機構組件側轉速度為：

即理論側轉角速度為299（°）/s。用遙控器遙控靶車以最大速度側轉299°，記錄時間t，重復采集3次，采集的時間分別為1.05 s、1.08 s、0.98 s，平均時間為1.04 s，則靶車實測側轉角速度為288（°）/s，大于指標要求的180（°）/s。

所選靶車起倒電機為400 W低壓伺服電機，額定轉速為3 000 r/min，減速器減速比為60，與側轉電機測試方法相同，實測起倒電機起倒角速度同樣為288（°）/s，大于指標要求的90（°）/s。

4 ? ?結語

試驗結果表明，所設計的室內智能機器人靶車滿足指標要求，設計的側轉機構組件和起倒機構組件實現(xiàn)了靶標運動過程中的側轉或起倒動作，且通過加裝的激光雷達組件，機器人靶車能實現(xiàn)自主定位，從而實現(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的運動特性和逼真程度。

[參考文獻]

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

收稿日期：2020-12-11

作者簡介：王聿彪（1984—），男，江蘇南京人，工程師，研究方向：機器人設計。