火箭炮彈箱遙操作吊裝技術研究

姜孝旺，張建新

(湖北江山重工有限責任公司， 湖北 襄陽 441057)

為了提升彈藥裝填效率，新研制火箭炮基本都采用模塊化貯運發箱式技術[1-2]。貯運發箱彈藥的裝填是火箭炮作戰使用流程中的重要一環，一定程度上決定了作戰效率和可持續性[3]。然而現階段的彈藥裝填技術還是比較落后，基本是人工指揮、手工定位裝夾，通常需要5人組成的炮班聯合操作，效率低、勞動強度大，而且不利于將來炮班人員的精簡。

未來的戰場少人化甚至無人化將是發展趨勢[4-6]，如何在人數很少(1～2人)或無人的情況下完成彈箱的再裝填將是需要研究解決的難題。考慮到軍用裝備通常需在多種惡劣環境(如強電磁干擾)下工作，且對安全性的極高要求，在更可靠的人工智能技術出現之前，遙操作手段將是更好的選擇[7-9]。針對這一關鍵需求，運用機器人視覺技術和基于Kinect手勢控制技術對火箭炮彈箱遙操作吊裝技術進行研究。

1 基于Kinect的手勢控制遙操作吊裝方案

基于Kinect的手勢控制遙操作吊裝方案主要包括兩方面的研究內容：

一是基于Kinect的動態手勢識別和控制研究。Kinect是由深度傳感器、RGB攝像頭和多點麥克風陣列組成的三維體感攝像頭，能夠實時獲取場景圖像和捕捉語音或者動作輸入等信息。本文針對動態手勢識別進行研究，實現通過人體的不同手勢對吊臂進行控制。通過對手勢識別系統上位機軟件的設計，將Kinect傳感器識別的手勢轉換為控制指令，通過有線或無線通信模塊實現對吊裝系統的控制，其控制原理如圖1，遙操作吊裝程序流程如圖2。

圖1 基于Kinect的手勢遙控制操作原理框圖

圖2 基于Kinect的手勢控制遙操作吊裝程序流程框圖

二是適合遙操作的吊裝系統設計研究。通常情況，火箭炮彈箱特征在其生產定型后就已固定，一個型號火箭炮能裝載的彈箱類型也是確定的，其外形為箱狀，含彈運發箱重量2噸～5噸。為了吊裝穩定，一般需要在箱體重心兩側夾板外側設置起吊點。要使吊具能夠可靠吊裝彈箱涉及到兩個關鍵點，一是吊具能夠與彈箱準確定位對接；二是吊具能夠自動夾緊彈箱，到目標位后，能夠自動放下彈箱，無需任何人工干預，且安全可靠。

2 基于Kinect手勢控制算法

基于Kinect手勢控制算法包含手勢識別和手勢跟蹤兩部分。由于本方案采用的吊裝吊具，不需要進行手勢的抓取控制，只需進行機械臂末端位置的控制，本文采用Kinect稍簡單的骨骼追蹤算法，通過識別與追蹤人體左手骨骼完成遙操作控制，其中仿射變換算法是一種常用的骨骼追蹤算法。

對于三維空間中的點p，設其初始坐標P=(Px,Pv,Pz, 1)T，經過仿射變換后的坐標為Q=(Qx,Qv,Qz, 1)T，仿射變換矩陣M。平移變換的仿射變換矩陣如式(1)所示、縮放變換的仿射變換矩陣如式(2)所示、剪切變換的仿射變換矩陣如式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

旋轉變換的仿射變換矩陣如式(4)所示。

(4)

平移變換后Q=(Px+a,Pv+b,Pz+c,1)T，表示點p在x、y、z三軸上各移動了a、b、c個單位距離；縮放變換后Q=(aPx,bPv,cPz)，表示點p在x、y、z三軸上各縮放了a、b、c倍大小；剪切變換后Q=(Px,Pv+bPz,cPz,1)T，表示點p在y軸的坐標；旋轉變換后，點p在x、y、z三軸上依次旋轉α、β、γ角。

只要求出模型的仿射變換矩陣，就可以將模型中的頂點變換到目標位置。通過求解形變圖中每個頂點的仿射變換矩陣，將形變圖頂點移動到目標位置，再利用形變圖頂點和原模型中的頂點之間的近鄰關系，求解原模型中頂點移動后的位置，模型中每個頂點的形變都是一種仿射變換。

3 適合遙操作吊裝的吊具設計

3.1 原理與結構介紹

設計原理：在箱體外側裝夾，采用剪叉原理，機構聯動，使定位錐銷、吊鉤、起吊橫桿連為一體，在重力作用下，越拉越緊。采用棘爪、固定塊、活動塊結構，通過三者的聯合使用，實現吊鉤的的自動夾緊和松開。方案示意圖如圖3。

1-橫桿；2-吊鉤；3-起吊橫桿；4-立柱；5-棘爪；6-固定塊；7-活動塊；8-錐銷；9-運發箱

運發箱自動吊裝裝置主要由橫桿1、吊鉤2、起吊橫桿3、立柱4、棘爪5、固定塊6、活動塊7、錐銷8組成。其中，橫桿1兩側設有對稱的與其鉸接的吊鉤2，中間上部固連有立柱4，下部固連有錐銷8。

吊鉤2上部有槽孔，與起吊橫桿3兩端的銷柱配合；起吊橫桿3連同固連在其中間的棘爪5，可沿立柱4上下移動，棘爪5為彈性件，只能提供很小的夾緊力。

固定塊6固連在立柱4上，活動塊7可在固定塊6和立柱4的臺階中間沿立柱4上下移動。

固定塊6的下端內側具有與棘爪5末端相配合的圓錐臺形空腔，活動塊7的下端為倒圓錐臺形，兩者配合后，在橫桿1、吊鉤2、立柱4重力作用下，棘爪5末端便會打滑越過固定塊6。

起吊橫桿3在立柱4上的滑動受棘爪5的限制，而棘爪5的上下位置最終是通過活動塊7的上下移動決定，由此實現整個吊裝裝置的自動夾緊與松開。

3.2 具體實施方式

圖3(a)為松開狀態。此時，棘爪5末端鉤住固定塊6，吊鉤2處于張開狀態，整個吊裝裝置在機械臂的自動控制下，錐銷8插入運發箱9的圓孔。

圖3(b)為起吊前狀態。在(a)狀態下，起吊橫桿3在機械臂作用下繼續下移，棘爪5跟著下移并夾住活動塊7，棘爪5提起活動塊7沿立柱上移至固定塊6處。

圖3(c)為起吊狀態，在(b)狀態下，起吊橫桿3繼續上移，棘爪5無法承受橫桿1、吊鉤2、立柱4的重力而打滑，從而越過固定塊6，起吊橫桿3兩端的銷柱拉動吊鉤2，吊鉤2下端掛鉤便繞鉸接軸內轉掛住運發箱9的起吊掛鉤，而同時活動塊7自由滑落到立柱4的臺階處。

當吊至目標位后，起吊橫桿3在機械臂作用下下移越過固定塊6，起吊橫桿3兩端的銷柱帶動吊鉤2繞鉸接軸外轉而松開，再上移起吊橫桿3，此時，棘爪5末端鉤住固定塊6，繼續上移起吊橫桿3，便可帶動整個裝置脫離運發箱。

3.3 計算分析

該機構實際上是將起吊橫桿的豎直運動轉化為吊鉤的繞鉸接軸的轉動，通過棘爪、活動塊、固定塊三者的關系進行不同位置轉換，最終達到吊鉤松開和夾緊彈箱的功能，其核心在于棘爪夾緊力的控制以及吊鉤夾緊與起吊動作的可靠性。現分析影響棘爪和吊鉤性能的主要參數，為不同彈箱的吊具設計提供理論依據。

3.3.1棘爪扭矩分析

起吊時棘爪要夾住并提起活動塊；當活動塊與固定塊接觸配合后，棘爪在橫桿、立柱、吊鉤等部分的重力作用下張開而越過固定塊，使吊鉤夾緊彈箱。為使吊具正常工作，棘爪夾緊力的控制至關重要，也即控制棘爪扭矩。棘爪扭矩與活動塊的下錐度大小存在一定的對應關系，如3.1節圖3(d)所示，具體推導如下。其中：q為棘爪扭矩，hz為棘爪對活動塊作用點與回轉中心的距離，η為棘爪作用線初始角度，β為活動塊圓錐半頂角(錐度為2tanβ)，Fz為棘爪對活動塊作用力，Fz1為活動塊對棘爪的反作用力。

如3.1節圖3(b)起吊前狀態所示，為完成棘爪提起活動塊沿立柱上移至固定塊處的動作，需要使該過程中棘爪對活動塊的作用力大于活動塊的重力，故要滿足下式

G活動塊<3Fzsinβ

如3.1節圖3(c)起吊狀態所示，為使棘爪越過固定塊，需要使該過程中棘爪對活動塊的作用力小于固定塊、活動塊、立柱、橫桿和吊鉤的重力(不計摩擦)，以便吊鉤夾緊彈箱。故要滿足下式

3Fzsinβ

G活動塊+G固定塊+G立柱+G橫桿+2G吊鉤

理想狀況下只需控制棘爪扭矩大于最小扭矩，該機構即可實現功能，且扭矩越小，棘爪與活動塊和固定塊的摩擦力越小，棘爪壽命越長。但實際工況會伴隨振動和過載，為留有安全余量，同時考慮到棘爪扭簧制造難度，建議取棘爪扭矩為100 N·mm。

3.3.2吊鉤轉角相關的定量關系

起吊橫桿的豎直運動使吊鉤旋轉一定角度，從而改變吊鉤底端橫向位移，實現夾緊與松開，故起吊橫桿垂直位移e、吊鉤轉角θ、吊鉤底端橫向位移L(如圖4所示)之間的關系較為關鍵。其中：h0為銷柱初始高度，h1為吊鉤底端初始高度，e為起吊橫桿垂直位移，L為吊鉤底端橫向位移，L1為吊鉤上部長度，L2為吊鉤下部長度，θ2為吊鉤上部初始角度，θ1為吊鉤下部初始角度，θ為吊鉤轉角。

起吊橫桿垂直位移e與吊鉤轉角θ的關系為

即e=L2sinθ2-tan(θ2-θ)·L2cosθ2

吊鉤底端橫向位移L與吊鉤轉角θ的關系為

L=L1cosθ1-L1cos(θ1+θ)

吊鉤底端橫向位移L與起吊橫桿垂直位移e的關系為

圖4 轉角相關的定量關系示意圖

4 實驗

根據某產品運發箱的尺寸及重量，制作了1：5縮比吊具及運發箱模型(適應實驗室機器人承載能力)，利用Kinect相機機器骨骼識別算法，通過識別與追蹤人體手掌骨骼坐標，實時控制機械臂位置，從而進行吊具的遙操作無人吊裝作業，用以驗證實際吊裝效果，試驗平臺如圖5所示。試驗方法流程如圖6所示，試驗結果如圖7所示。

從試驗驗證結果來看，該吊具原理可行，動作可靠，完全可以滿足無人化操作要求。

圖5 試驗平臺

圖6 試驗驗證流程框圖

圖7 試驗結果

5 結論

根據火箭炮彈箱結構特點設計一種適合無人操作的專用吊具；通過Kinect傳感器識別手掌骨骼動作信息，將識別的動作信息轉化為指令信息，控制機器人機械臂進行吊裝動作。利用實驗室ABB機械臂和Kinect相機進行了遙操作控制試驗，結果表明該原理是可行的，為火箭炮的少人化和無人化做出技術儲備。

下一步將繼續進行彈箱識別、定位、起吊系列試驗，并在控制魯棒性和實時性及提高工作效率方面進行深入研究。