Khảo sát động lực học hệ robot - vũ khí trên cơ sở cơ học hệ nhiều vật

Bài viết trình bày mô hình tính toán và khảo sát động lực học hệ robot-vũ khí trên cơ sở cơ học hệ nhiều vật. Phần robot gồm thân xe, giá súng, cơ cấu dẫn động và các bánh xe. Phần vũ khí là súng đại liên PKMS được liên kết với giá súng thông qua bộ phận định hướng chuyển động súng và lò xo giảm giật.

Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC HỆ ROBOT-VŨ KHÍ TRÊN CƠ SỞ CƠ HỌC HỆ NHIỀU VẬT Lại Thanh Tuấn*, Uông Sỹ Quyền, Trương Tư Hiếu Tóm tắt: Bài báo trình bày mơ hình tính tốn khảo sát động lực học hệ robot-vũ khí sở học hệ nhiều vật Phần robot gồm thân xe, giá súng, cấu dẫn động bánh xe Phần vũ khí súng đại liên PKMS liên kết với giá súng thông qua phận định hướng chuyển động súng lò xo giảm giật Các kết nhận cho phép đánh giá tính ổn định hệ robot-vũ khí, đồng thời làm sở cho việc tính tốn thiết kế, lắp đặt, bố trí cấu phận để đảm bảo tính tối ưu hệ Từ khóa: Robot chiến đấu; Động lực học; Súng đại liên PKMS; Ổn định ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, với thành tựu đạt lĩnh vực khoa học, công nghệ quân đặt yêu cầu nghiên cứu phương án chiến đấu tối ưu, cho phép giảm thiểu tối đa diện trực tiếp người chiến trường Việc lắp đặt súng tự động lên robot chiến đấu xu hướng nhằm thực nhiệm vụ đảm bảo cho người chiến sĩ an tồn khơng gian tác chiến đặc biệt Tuy nhiên, kết hợp phải tuân thủ yêu cầu chiến kỹ thuật khắt khe, có u cầu tính ổn định đặc biệt độ xác bắn vũ khí Vì vậy, việc khảo sát động lực học hệ robot-vũ khí tác chiến sở quan trọng để xây dựng tham số kết cấu robot thiết kế nhằm thỏa mãn nhiệm vụ thực tế đặt XÂY DỰNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN VÀ KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC HỆ ROBOT-VŨ KHÍ 2.1 Xây dựng mơ hình tính tốn hệ robot chiến đấu-vũ khí Cơ hệ gồm hai phần: phần robot phần vũ khí Mơ hình khảo sát xây dựng dựa giả thuyết: robot đứng yên mặt phẳng nằm ngang bắn; trừ lò xo phần tử đàn hồi vật lại xem vật rắn tuyệt đối; khơng tính đến động ảnh hưởng phận dẫn tiến; cấu tầm-hướng khóa cứng q trình bắn liên kết xem lý tưởng, khơng có khe hở Mơ hình khảo sát (hình 1) gồm vật: thân xe (khối lượng m1 , khối tâm O1 ), giá súng (khối lượng m2 , khối tâm O2 ), hộp súng (khối lượng m3 , khối tâm O3 ), bệ khóa nịng (khối lượng m4 , khối tâm O4 ) khâu làm việc máy tự động: cấu tiếp đạn (khối lượng mtd ) cấu khóa nịng (khối lượng mkn ) có dịch chuyển phụ thuộc vào chuyển động khâu sở Để khảo sát ta sử dụng hệ tọa độ: hệ tọa độ cố định O0 x0 y0 z0 gắn với trọng tâm xe trước bắn; hệ tọa độ động O1 x1 y1 z1 gắn với thân xe, O2 x2 y2 z2 gắn với giá súng, O3 x3 y3 z3 gắn với hộp súng, O4 x4 y4 z4 gắn với bệ khóa nịng Hướng trục tọa độ thể hình Các hệ tọa độ động Okn xkn ykn zkn Otd xtd ytd ztd gắn với trọng tâm ban đầu cấu khóa nịng cấu tiếp đạn, có trục Ox song song với phương chuyển động chúng, trục Oy Oz song song với trục tương ứng hệ O2 , trục lại hợp thành tam diện thuận Với mục đích khảo sát dao động bắn súng lắp robot, để đơn giản tính tốn mà đảm bảo độ xác hệ khảo sát với bậc tự (tọa độ suy rộng): dịch chuyển tịnh tiến trọng tâm xe q1 theo phương O1 x1 , dịch chuyển quay hộp súng q2 quanh trục O2 z2 , dịch chuyển tịnh tiến trọng tâm hộp súng q3 so với giá súng theo phương O3 x3 , dịch chuyển tịnh tiến trọng tâm bệ khóa nịng q4 so với hộp súng theo phương O4 x4 150 L T Tuấn, U S Quyền, T T Hiếu, “Khảo sát động lực học … sở học hệ nhiều vật.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Mơ hình hệ robot-vũ khí Hệ phương trình vi phân mơ tả chuyển động hệ robot-vũ khí sử dụng phương pháp Lagrange có dạng: d  T  T = Qj , j   − dt  q j (t )  q j (t ) (1) Trong đó: T - Tổng động hệ; q j - Các tọa độ suy rộng; Q j - Các lực suy rộng tác dụng lên thân xe, giá súng, hộp súng, bệ khóa nịng Để xác định lực áp suất khí thuốc tác dụng lịng nịng ta giải tốn thuật phóng trong, sử dụng hệ phương trình vi phân: pS dl dz p  dv  dt =  1  m ; dt =  1 3v; dt =  I ; k   d c p =   (1 + 2 z ) −  b Gb − (1 −  )Gd ;  dt I k   dw −  p  =2  (1 + 2 z ) +  sv;  Ik  dt   dp =   p   f − Kp −   (1 + 2 z ) − KpSV   − K  G + (1 −  )G − K p  3 p b b d t   dt w   I       k   (2) Áp suất khí thuốc buồng khí xác định hệ phương trình nhiệt động buồng khí dựa q trình khí động lực học: d b  d b  dt = i (Gb − Gbk ); dt = i XSb ;  dp  b = (kRTGb − kRTb − kpb wb )i  dt wb (3) Bằng phương pháp số, giải đồng thời hệ phương trình vi phân dao động (1) hệ robotvũ khí, hệ phương trình vi phân thuật phóng (2) hệ phương trình nhiệt động buồng khí cho phép ta nhận quy luật chuyển động hệ bắn Sơ đồ khối mơ tả tính tốn máy tự động kiểu trích khí thể hình Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 151 Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực Hình Sơ đồ khối mở rộng tính tốn máy tự động kiểu trích khí - Các điều kiện ban đầu; - Xác định lực tác dụng lên khâu sở; - Xác định giá trị lực cản; - Xác định giá trị Ki ηi; 5,6 - Xác định hệ số ξi; - Xét điều kiện xảy va chạm; - Tính biến thiên tốc độ va chạm; - Phân tích điều kiện kết thúc tính tốn; 10 - Ghi kết quả; 11 - Dừng tính tốn 2.2 Xác định động hệ, công lực suy rộng Động hệ xác định tổng động vật: T = T1 + T2 + T3 + T4 + Tkn + Ttd (4) Trong đó: + T1 = R1T m1R1 - Động thân xe; + T2 = R2T m2 R2 + T A02 I A03T  - Động giá súng; 1 + T3 = R3T m3 R3 + T A03 I3 A03T  , T4 = R4T m4 R4 + T A04 I A04T  - Động hộp 2 súng bệ khóa nịng; T + Tkn = Rkn mkn Rkn + T A0kn I kn A0knT  , Ttd = RtdT mtd Rtd + T A0td I td A0tdT  - Động 2 cấu khóa nịng tiếp đạn Ở đây: + R1 , R2 , R3 , R4 , Rkn , Rtd , m1 , m2 , m3 , m4 , mkn , mtd - Thứ tự véc tơ trọng tâm hệ tọa độ cố định O0 ma trận khối lượng tương ứng thân xe, giá súng, hộp súng, bệ khóa, cấu khóa nịng cấu tiếp đạn; +  - Vận tốc góc quay hộp súng mặt phẳng bắn; + I , I , I , I kn , I td - Ten xơ quán tính giá súng hệ trục O2 , hộp súng hệ trục O3 , bệ khóa nịng với hệ trục O4 , cấu khóa nịng cấu tiếp đạn với hệ trục ( ) ( ) ( ( ) ) ( ) Rkn = R3 + A03 U 3kn + A3knU i  Otd 152 L T Tuấn, U S Quyền, T T Hiếu, “Khảo sát động lực học … sở học hệ nhiều vật.” Nghiên cứu khoa học công nghệ + R1 =  q1 0 ; T + R2 = R1 + A02U12 ; + R3 = R2 + A03U 23 ; + R4 = R3 + A04U 34 ; +  = A03 0 q2 0 ; T + Rkn = R3 + A03 U 3kn + A3knU i  ; + Rtd = R3 + A03 U 3td + A3tdU i  ; + U12 =  a21 b21 c21  ; T + U 23 =  a32 + q3 b32 c32  ; T + U 34 =  a43 + q4 b43 c43  ; T + U kn =  qkn 0 ; T + U td =  qtd 0 T A02 , A03 , A04 , A0kn ; + A0kn - Các ma trận chuyển từ hệ trục tọa độ O2 , O3 , O4 , Okn , Otd hệ trục tọa độ cố định O0 ; + U12 , U 23 , U 34 , U 3kn , U 3td - Tương ứng véc tơ gốc O2 hệ trục O1 , véc tơ gốc O3 hệ trục O2 , véc tơ gốc O4 hệ trục O3 , véc tơ trọng tâm khóa nịng tiếp đạn hệ tọa độ O3 : A02 = A12 ; A03 = A02 A23 ; A04 = A03 ; A0kn = A03 A3kn ; A0td = A03 A3td ; + A12 , A23 , A3kn , A3td ma trận quay từ hệ trục tọa độ O2 O1 , từ hệ trục O3 O2 , từ hệ trục Okn Otd O3 : 1 0   cos q2 sin q2   cos  sin       kn ( td ) A1 = 0 0 ; A2 =   ; A3 =   ; 0   − sin q2 cos q2   − sin  cos   +  - Góc lệch hướng chuyển động khâu khóa nịng tiếp đạn so với trục hệ trục O3 Tổng công lực suy rộng tính theo cơng thức:    W =  WP +  WFlx +  WG +  WPlg +  WPbk +   WFbxk  +  WFtd +  WFph  k =1  (5) Trong :  WP ,  WFlx ,  WG ,  WPlg ,  WPbk ,  WFbxk ( k = ),  WFtd ,  WFph cơng trọng lực, lực lị xo đẩy về, lực cấu giảm giật, lực khí thuốc, lực áp suất khí thuốc buồng khí tác dụng lên súng, lực đàn hồi bánh xe, lực cản băng đạn lực cản phụ máy tự động Ở đây: +  WP =   WP +  WP i td +  WPkn ; i =1 +  WPi = PiT  Riz ( i = ); Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 153 Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực +  WPkn = PknT  Rknz ; +  WPtd = PtdT  Rtdz ; +  Riz = Riz  q j =1  qj ; j Rknz  q +  Rknz = j =1 Rtdz  q +  Rtdz = j =1  qj ; j  q j - Di chuyển trọng tâm thân xe, giá súng, hộp súng, bệ khóa j nịng, cấu khóa nịng cấu tiếp đạn; +  WFlx = − Flx  Rlx3 −  Rlx4 ; ( ) + Flx = K ( f 40 + q4 ) - Lực nén lò xo đẩy về; +  Rlx3 = Rlx3  q j  Rlx4 =  q j j =1  Rlx4  q j - Di chuyển điểm đặt lực hộp j =1 q j  súng bệ khóa nịng; + f 40 - Độ nén lị xo tương ứng vị trí q4 = q40 ; +  WG = Fgg  R3 ; + Fgg = K gg ( f30 − q3 ) - Lực nén lò xo giảm giật; +  R3 = R3  q j =1  q j - Di chuyển thân súng; j + f 30 - Độ nén ban đầu tương ứng vị trí cân trước bắn ; +  WPlg = PlgT  RPlg ; + Plg - Lực áp suất khí thuốc tính theo hệ phương trình thuật phóng trong; +  RPlg = RPlg  q j =1 (  q j - Di chuyển điểm đặt lực Plg ; j ) +  WPbk = PbkT  RP3bk −  RP4bk ; + Pbk - Lực áp suất khí thuốc buồng khí xác định theo hệ phương trình nhiệt động buồng khí; R3 R Pbk Pbk +  RP3bk =  q j ,  RP4bk =  q j - Di chuyển điểm đặt lực Pbk j =1 q j j =1 q j   hệ tọa độ động O3 O4 ; +  WFbxk = Fbxk  Rbxk ; + Fbxk = A01 z Fbxk1 - Lực tác dụng bánh xe k; +  Rbxk = Rbxk  q j - Di chuyển điểm đặt lực Fbxk ; j =1 q j  + A01 z - Ma trận quay quanh trục Oz từ hệ trục O1 hệ trục O0 ; + Fbxk - Lực tác dụng bánh xe k hệ trục O1 ; 154 L T Tuấn, U S Quyền, T T Hiếu, “Khảo sát động lực học … sở học hệ nhiều vật.” Nghiên cứu khoa học công nghệ +  WFtd = FtdT  RFtd ; + Ftd = K Vb + n g - Lực cản băng đạn; +  RFtd = RFtd  q j - Di chuyển điểm đặt lực cản băng đạn ; j =1 q j  ( ) T  R3ph −  R ph +  WFph = − Fph ; + Fph - Lực cản phụ máy tự động gồm: lực cản tống đạn, lực cản rút đạn rút vỏ đạn, lực ma sát đường trượt; R ph  q j ,  R ph = +  R ph = j =1 q j  4 R ph  q j =1  q j - Di chuyển điểm đặt lực cản phụ j hộp súng hệ tọa độ O3 bệ khóa nịng hệ tọa độ O4 2.3 Giải toán động lực học hệ robot-vũ khí Hệ phương trình vi phân để giải toán động lực học hệ gồm: hệ phương trình vi phân mơ tả chuyển động hệ; hệ phương trình vi phân thuật phóng súng đại liên PKMS hệ phương trình nhiệt động buồng khí Các số liệu đầu vào để giải tốn thuật phóng tốn nhiệt động buồng khí súng PKMS lấy theo tài liệu [1] Các số liệu đầu vào hệ robot-vũ khí lấy từ số liệu mơ mơ hình phần mềm đồ họa AutoDesk Inventor 2018: P1 = 1000 N; P2 = 200 N; P3 = 75.5 N; P4 = 8.6 N; Ptd = 0.75 N; Pkn = 1.47 N; J1xx = 1.667 kg.m2; J1 yy = 2.833 kg.m2; J1zz = 3.234 kg.m2; J xx = 0.018 kg.m2; J yy = 0.018 kg.m2; J zz = 0.014 kg.m2; J xx = 0.01 kg.m2; J yy = 0.27 kg.m2; kg.m2; J xx = 0.00014 kg.m2; J yy = 0.009 kg.m2; J zz = 0.008 kg.m2; J tdxx = J tdyy = J tdzz = 325.10−7 kg.m2; J knxx = J knyy = J knzz = 926.10−8 kg.m2 Độ cứng lị xo giảm xóc: K gx = 800 N/m; độ cứng lò xo giảm giật: Kgg = K gg = 300 N/m; độ cứng lò xo đẩy về: K = N/m Tọa độ trọng tâm vật xác định theo phần mềm mô hệ Sử dụng phần mềm Maple 18 để giải đồng thời hệ phương trình tốn động lực học, ta nhận quy luật áp suất khí thuốc, quy luật chuyển động đạn, quy luật áp suất buồng khí, quy luật chuyển động máy tự động quy luật chuyển động hệ Dưới dẫn đồ thị: đồ thị áp suất thuật phóng súng (hình 3); đồ thị mơ tả chuyển động khâu sở theo thời gian (hình 4); đồ thị chuyển động thân xe theo thời gian tương ứng với phát bắn (hình 5a), với ba phát bắn (hình 5b) đồ thị góc nảy thân xe theo thời gian bắn (hình 6) Hình Đồ thị áp suất thuật phóng áp suất buồng khí Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 Hình Đồ thị mơ tả chuyển động khâu sở theo thời gian 155 Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực a) Với phát bắn b) Với ba phát bắn Hình Đồ thị chuyển động thân xe theo thời gian Hình Đồ thị góc nảy súng theo thời gian bắn Các kết tính tốn thuật phóng nhiệt động học buồng khí, chuyển động khâu sở nhận tương đối sát với số liệu công bố nhà sản xuất Dao động thân súng so với giá thông qua cấu giảm giật phụ thuộc vào thông số cấu giảm giật Chu kỳ làm việc cấu giảm giật nhỏ chu kỳ làm việc máy tự động nên đảm bảo tiếp đạn hoạt động cấu phát bắn khác khơng có nhiều sai khác Thân xe bắn có dao động khoảng 0,04 mm bắn phát 0,14 mm bắn ba phát liên tiếp, sau trở lại vị trí cân có mơ men quán tính trọng lượng nên giúp robot ổn định KẾT LUẬN Trên sở xây dựng mơ hình hệ robot-vũ khí, sử dụng lý thuyết học hệ nhiều vật xây dựng hệ phương trình vi phân chuyển động máy tự động súng đại liên PKMS lắp robot chiến đấu thông qua cấu giảm giật lò xo Bằng phương pháp số giải đồng thời với hệ phương trình thuật phóng trong, hệ phương trình nhiệt động buồng khí xác định dịch chuyển hộp súng, thân xe góc nảy súng bắn Các kết tính toán tương đối phù hợp với số liệu lý thuyết, đảm bảo độ tin cậy định dùng sở cho việc nghiên cứu động lực học vũ khí lắp robot chiến đấu tính tốn thiết kế, cải tiến tối ưu hóa hệ thống TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trương Tư Hiếu, ng Sỹ Quyền, “Trang bị điển hình vũ khí tự động”, NXB Học viện Kỹ thuật quân (2004) [2] Võ Ngọc Anh, “Động lực học vũ khí tự động”, NXB Học viện Kỹ thuật quân (1995) 156 L T Tuấn, U S Quyền, T T Hiếu, “Khảo sát động lực học … sở học hệ nhiều vật.” Nghiên cứu khoa học công nghệ [3] Phạm Huy Chương, “Giáo trình sở kết cấu tính tốn thiết kế máy tự động”, NXB Học viện Kỹ thuật quân (1998) [4] “Hướng dẫn sử dụng súng PKMS”, Cục quân khí, Tổng cục Kỹ thuật [5] J Wittenburg, “Động lực học hệ vật rắn” (Người dịch: GS TSKH Nguyễn Đông Anh), NXB Xây dựng (2000) ABSTRACT THE SURVEY OF DYNAMICS OF ROBOT-WEAPON SYSTEM BASED ON OF MECHANICS OF MULTIBODY SYSTEM The article presents a model for calculating and surveying dynamics of the robotweapon system based on of mechanics of the multibody system The robot consists of the vehicle body, the gun rack, transmission structure and the wheels The weapon is a machine gun PKMS, which is attached to the gun rack by the orientation bar and reduces shock springs The results of the calculating allowed the assessment of the stability of the robot-weapon system and used as the basis for calculating for design, installation and arrangement of components with the optimization of the system Keywords: Combat robot; Dynamics; Machine gun PKMS; Stability Nhận ngày 17 tháng 01 năm 2021 Hoàn thiện ngày 04 tháng năm 2021 Chấp nhận đăng ngày 12 tháng năm 2021 Địa chỉ: Bộ mơn Vũ khí - Khoa Vũ khí - Học viện Kỹ thuật quân *Email: thanhtuan711@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 157 ... chuyển điểm đặt lực cản phụ j hộp súng hệ tọa độ O3 bệ khóa nịng hệ tọa độ O4 2.3 Giải toán động lực học hệ robot- vũ khí Hệ phương trình vi phân để giải toán động lực học hệ gồm: hệ phương trình... động? ??, NXB Học viện Kỹ thuật quân (2004) [2] Võ Ngọc Anh, ? ?Động lực học vũ khí tự động? ??, NXB Học viện Kỹ thuật quân (1995) 156 L T Tuấn, U S Quyền, T T Hiếu, ? ?Khảo sát động lực học … sở học hệ. .. giúp robot ổn định KẾT LUẬN Trên sở xây dựng mơ hình hệ robot- vũ khí, sử dụng lý thuyết học hệ nhiều vật xây dựng hệ phương trình vi phân chuyển động máy tự động súng đại liên PKMS lắp robot