張旭輝， 陳利， 馬宏偉， 毛清華， 杜昱陽(yáng)， 趙友軍

(1.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 西安 710054； 2.西安煤礦機(jī)械有限公司， 陜西 西安 710032)

經(jīng)驗(yàn)交流

煤礦掘進(jìn)機(jī)器人虛擬仿真與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

張旭輝1,2， 陳利1， 馬宏偉1， 毛清華1， 杜昱陽(yáng)1， 趙友軍2

(1.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 西安 710054； 2.西安煤礦機(jī)械有限公司， 陜西 西安 710032)

針對(duì)現(xiàn)有掘進(jìn)機(jī)視頻監(jiān)控和遙測(cè)遙控等監(jiān)控方式存在圖像不清晰、無法真實(shí)反映掘進(jìn)機(jī)位姿和工況狀態(tài)等問題，提出了一種煤礦掘進(jìn)機(jī)器人虛擬仿真與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，對(duì)掘進(jìn)機(jī)器人改進(jìn)設(shè)計(jì)、虛擬仿真遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)、掘進(jìn)機(jī)器人控制模型等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。該系統(tǒng)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有機(jī)整合井下操作人員、掘進(jìn)機(jī)器人和井下環(huán)境信息，以掘進(jìn)機(jī)器人自動(dòng)掘進(jìn)和遠(yuǎn)程人工干預(yù)為目的，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)過程的運(yùn)動(dòng)控制和巷道成型掘進(jìn)控制功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性和良好的控制性能。

煤炭開采； 綜掘工作面； 掘進(jìn)機(jī)器人； 自動(dòng)掘進(jìn)； 巷道自動(dòng)成型控制； 虛擬現(xiàn)實(shí)

0 引言

傳統(tǒng)煤礦巷道掘進(jìn)設(shè)備的自動(dòng)化、智能化程度較低，依靠操作人員實(shí)現(xiàn)截割斷面成型控制和掘進(jìn)機(jī)位姿調(diào)整，會(huì)產(chǎn)生截割斷面超挖、欠挖多發(fā)等問題，且掘進(jìn)效率低下，致使采掘失衡，嚴(yán)重影響了煤礦井下開采的組織節(jié)拍。目前井下掘進(jìn)機(jī)監(jiān)控方式主要包括視頻監(jiān)控和遙測(cè)遙控。由于煤礦井下環(huán)境復(fù)雜、粉塵較多，導(dǎo)致這2種方式的監(jiān)控圖像不清晰，監(jiān)控人員無法得到真實(shí)的掘進(jìn)機(jī)位姿和工況等信息。綜掘工作面自動(dòng)化程度已成為制約煤礦安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。高效自動(dòng)掘進(jìn)設(shè)備是近年的研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者在掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)控制方面的研究成果顯著。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)吳淼教授主持完成國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目“掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，在懸臂式掘進(jìn)機(jī)近點(diǎn)遙控、井下遙控、地面監(jiān)測(cè)和自動(dòng)截割成型控制等方面取得了較大進(jìn)展[2]。神華集團(tuán)有限責(zé)任公司研發(fā)出全斷面煤巷快速自動(dòng)化掘進(jìn)系統(tǒng)及關(guān)鍵裝備，成功實(shí)現(xiàn)最高月進(jìn)尺超過4 000 m的目標(biāo)。上述2種巷道成型控制方案和實(shí)現(xiàn)方式不同，均有效地提高了掘進(jìn)系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。通過吸收國(guó)內(nèi)外成熟先進(jìn)的自動(dòng)化和信息化技術(shù)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)掘進(jìn)機(jī)定位導(dǎo)向等全過程進(jìn)行了數(shù)字化表達(dá)，以實(shí)現(xiàn)無人作業(yè)目標(biāo)[3]。筆者在參考文獻(xiàn)[4]中提出借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)輔助決策掘進(jìn)機(jī)等煤礦井下設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，將群機(jī)器人理念用于煤礦綜采、綜掘工程應(yīng)用，并建立了一系列實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，系統(tǒng)地進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了控制人員、掘進(jìn)機(jī)器人、井下巷道環(huán)境信息的良好交互，為操作者提供了良好的遠(yuǎn)程人工干預(yù)決策支持。

本文設(shè)計(jì)了一種煤礦掘進(jìn)機(jī)器人虛擬仿真與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，可有效提高掘進(jìn)機(jī)器人自動(dòng)掘進(jìn)和成型掘進(jìn)的能力；利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建了一種浸入感強(qiáng)、交互性好的掘進(jìn)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，完成掘進(jìn)機(jī)器人的自動(dòng)掘進(jìn)和遠(yuǎn)程人為干預(yù)，使自動(dòng)掘進(jìn)工作安全、高效進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)不同斷面形狀巷道的少人甚至無人掘進(jìn)。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的煤礦掘進(jìn)機(jī)器人虛擬仿真與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)由虛擬操控平臺(tái)、虛擬現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)、掘進(jìn)機(jī)器人、機(jī)身傳感器和機(jī)載控制器組成，如圖1所示。虛擬操控平臺(tái)由操控臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)、虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)接口和高速數(shù)據(jù)采集卡組成，以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制命令的發(fā)送。虛擬現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)由虛擬掘進(jìn)機(jī)器人與綜掘場(chǎng)景模型、燈光、相機(jī)和人機(jī)交互界面組成，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)器人工作狀態(tài)的真實(shí)再現(xiàn)和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能。掘進(jìn)機(jī)器人是一種可編程的高自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)，為了執(zhí)行不同的掘進(jìn)任務(wù)而具有可用電腦改變和可編程動(dòng)作的能力。機(jī)身傳感器用于測(cè)量掘進(jìn)機(jī)器人位姿工況信息，為掘進(jìn)機(jī)器人的定位和掘進(jìn)提供依據(jù)。機(jī)載控制器完成掘進(jìn)機(jī)器人本地控制、掘進(jìn)機(jī)器人主要部件工況參數(shù)的預(yù)處理和特征提取。

圖1 系統(tǒng)組成及工作原理

虛擬操控平臺(tái)發(fā)送控制指令，控制信號(hào)由高速數(shù)據(jù)采集卡和虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)接口進(jìn)行采集并分類存入數(shù)據(jù)庫(kù)。在虛擬現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)中，Quest 3D虛擬現(xiàn)實(shí)軟件程序讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的控制指令，將其通過通信總線發(fā)送給掘進(jìn)機(jī)器人機(jī)載控制器，以驅(qū)動(dòng)井下掘進(jìn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，虛擬操控平臺(tái)控制指令驅(qū)動(dòng)虛擬掘進(jìn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)虛擬掘進(jìn)機(jī)器人與井下掘進(jìn)機(jī)器人同步動(dòng)作。掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)按照巷道界面和截割頭尺寸等編制截割軌跡，對(duì)截割頭控制量進(jìn)行解算，求解出各連桿關(guān)節(jié)變量，確定各液壓缸伸縮量。虛擬現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)將各液壓缸伸縮量控制指令發(fā)送給掘進(jìn)機(jī)器人機(jī)載控制器和虛擬現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)中的虛擬掘進(jìn)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)器人的自動(dòng)控制。機(jī)載控制器采集掘進(jìn)機(jī)器人位姿和工況狀態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后通過通信總線發(fā)給虛擬現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，利用數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)各類傳感器和捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)[5]數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔整理、存儲(chǔ)。虛擬現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)實(shí)時(shí)讀取并處理數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的掘進(jìn)機(jī)器人位姿工況數(shù)據(jù)，以此修正井下掘進(jìn)機(jī)器人的位姿，顯示掘進(jìn)機(jī)器人的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)，為掘進(jìn)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控提供決策依據(jù)。

2 掘進(jìn)機(jī)器人改進(jìn)設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)自動(dòng)化掘進(jìn)控制，對(duì)傳統(tǒng)的掘進(jìn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并安裝了掘進(jìn)機(jī)器人定位、位姿和工況檢測(cè)方面的傳感器。

現(xiàn)有掘進(jìn)機(jī)器人行走裝置由2臺(tái)液壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過減速機(jī)、驅(qū)動(dòng)鏈輪及履帶實(shí)現(xiàn)行走，但這種結(jié)構(gòu)使得掘進(jìn)機(jī)器人左右轉(zhuǎn)向困難。本文參考全向輪機(jī)器人[6]結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)引入掘進(jìn)機(jī)器人行走裝置，改善掘進(jìn)機(jī)器人的左右轉(zhuǎn)向能力。

掘進(jìn)機(jī)器人機(jī)身傳感器包括位姿檢測(cè)傳感器和工況狀態(tài)檢測(cè)傳感器。位姿檢測(cè)傳感器包括超聲測(cè)距傳感器、油缸行程傳感器、絕對(duì)編碼器、捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)。工況狀態(tài)檢測(cè)傳感器包括壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器。其中，超聲測(cè)距傳感器安裝在機(jī)身四周，用于測(cè)量掘進(jìn)機(jī)器人與巷道前后左右的距離；捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)安裝在掘進(jìn)機(jī)器人機(jī)身，用于測(cè)量機(jī)身X，Y，Z軸方向的角速度和加速度。

3 掘進(jìn)機(jī)器人虛擬現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

基于Quest 3D 虛擬現(xiàn)實(shí)軟件開發(fā)的掘進(jìn)機(jī)器人虛擬現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)主要包括掘進(jìn)機(jī)器人三維模型、虛擬掘進(jìn)機(jī)器人與綜掘場(chǎng)景、掘進(jìn)機(jī)器人動(dòng)作程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與動(dòng)態(tài)修正、人機(jī)交互界面、綜掘場(chǎng)景漫游，如圖2所示。

圖2 掘進(jìn)機(jī)器人虛擬現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)

3.1 掘進(jìn)機(jī)器人三維模型

掘進(jìn)機(jī)器人三維模型用于在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中構(gòu)建虛擬掘進(jìn)機(jī)器人作為虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的控制對(duì)象，為展現(xiàn)真實(shí)掘進(jìn)機(jī)器人的位姿狀態(tài)提供基礎(chǔ)。系統(tǒng)為兼顧模型數(shù)量、系統(tǒng)完整性和模型渲染速度，對(duì)掘進(jìn)機(jī)器人的組成進(jìn)行了簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后掘進(jìn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)可完全真實(shí)反映井下掘進(jìn)機(jī)器人的動(dòng)作。Quest 3D 虛擬現(xiàn)實(shí)軟件可支持SolidWorks,3DS MAX,MAYA等主流建模軟件。本文采用SolidWorks建模軟件，以真實(shí)的掘進(jìn)機(jī)器人尺寸建立模型，保存為.stl格式文件，再將其以快速焊接的方式導(dǎo)入3DS MAX軟件中進(jìn)行渲染、貼圖及坐標(biāo)軸調(diào)整，完成后導(dǎo)出為.X格式文件。

3.2 虛擬掘進(jìn)機(jī)器人與綜掘場(chǎng)景

虛擬掘進(jìn)機(jī)器人與綜掘場(chǎng)景以真實(shí)展現(xiàn)井下真實(shí)綜掘環(huán)境為目的，可提高操作人員對(duì)井下真實(shí)情況的認(rèn)知程度。將掘進(jìn)機(jī)器人與綜掘場(chǎng)景的.X格式文件分別導(dǎo)入Quest 3D軟件中。在3D Render模塊的第1個(gè)通道下添加相機(jī)，用于觀察綜掘工作面。在掘進(jìn)機(jī)器人搖臂和后支撐處添加燈光，用于在掘進(jìn)過程中照明。在Channel Graph模式下將掘進(jìn)機(jī)器人各部件之間綁定父子關(guān)系，以保證掘進(jìn)機(jī)器人的整體動(dòng)作與各部件動(dòng)作互不影響。在Animation模式下，按照真實(shí)掘進(jìn)機(jī)器人的裝配關(guān)系和綜掘場(chǎng)景布置，對(duì)掘進(jìn)機(jī)器人各部件和場(chǎng)景模型的位置姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，完成掘進(jìn)機(jī)器人與綜掘場(chǎng)景的耦合。

3.3 掘進(jìn)機(jī)器人動(dòng)作程序

掘進(jìn)機(jī)器人動(dòng)作程序是根據(jù)真實(shí)掘進(jìn)機(jī)器人的動(dòng)作和控制方式，使用Quest 3D軟件編寫相應(yīng)控制程序，使掘進(jìn)機(jī)器人在虛擬操控平臺(tái)的控制下完成各項(xiàng)掘進(jìn)動(dòng)作，這是虛擬掘進(jìn)機(jī)器人動(dòng)作的核心。在Quest 3D軟件中，每個(gè)部件均對(duì)應(yīng)一個(gè)3D Object模塊，每個(gè)3D Object模塊下均有Motion模塊，該模塊可實(shí)現(xiàn)部件的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放功能。利用左側(cè)Templates窗口中Logic下的If,Trigger,User Input等邏輯命令模塊完成掘進(jìn)機(jī)器人控制邏輯編程。3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與動(dòng)態(tài)修正

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與動(dòng)態(tài)修正是利用Quest 3D軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的大量存儲(chǔ)和讀取，憑借傳感器數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)器人位姿的自動(dòng)調(diào)整。虛擬操控平臺(tái)上的按鍵信息通過虛擬現(xiàn)實(shí)接口存入數(shù)據(jù)庫(kù)中指定表格的相應(yīng)位置。機(jī)載控制器采集的掘進(jìn)機(jī)器人機(jī)身工況位姿傳感器數(shù)據(jù)通過通信總線存入Array數(shù)組中，再存入數(shù)據(jù)庫(kù)。Quest 3D軟件程序?qū)?shù)據(jù)庫(kù)中的位姿工況數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，得出掘進(jìn)機(jī)器人的預(yù)期位姿工況數(shù)據(jù)與實(shí)際掘進(jìn)機(jī)器人位姿工況數(shù)據(jù)的差值，并將該差值進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)送相應(yīng)控制指令對(duì)掘進(jìn)機(jī)器人的位姿進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)器人位姿自動(dòng)調(diào)整。

3.5 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面用于顯示掘進(jìn)機(jī)器人工況參數(shù)、工作狀態(tài)和故障報(bào)警，為遠(yuǎn)程操作人員提供數(shù)據(jù)參考。人機(jī)交互界面如圖3所示。工況參數(shù)顯示通過顯示窗口顯示截割頭轉(zhuǎn)數(shù)、耙爪轉(zhuǎn)數(shù)、截割高度等參數(shù)值。工作狀態(tài)顯示通過Quest 3D軟件中GUI模塊實(shí)現(xiàn)，可通過ChannelSwitch來切換不同方位的相機(jī),實(shí)現(xiàn)綜掘工作面不同角度的觀察，還可通過界面上的Button顯示掘進(jìn)機(jī)器人搖臂等的工作狀態(tài)。故障報(bào)警是當(dāng)工況參數(shù)超過警戒值時(shí)發(fā)出報(bào)警聲，使掘進(jìn)機(jī)器人停止作業(yè)。

圖3 虛擬現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)人機(jī)交互界面

3.6 綜掘場(chǎng)景漫游

綜掘場(chǎng)景漫游是在場(chǎng)景中添加行走相機(jī)，使用虛擬操控平臺(tái)控制行走相機(jī)，使得操作人員可以第一視角觀察綜掘工作面情況。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，使用Walkthrough Camera實(shí)現(xiàn)綜掘場(chǎng)景漫游。先將巷道模型的快捷方式添加到Walkthrough Camera模塊的CollisionObject下，為行走相機(jī)指定碰撞物體，使行走相機(jī)不會(huì)穿出巷道。然后設(shè)置行走相機(jī)的初始位置。在Animation模式與Camera View視角下，通過虛擬操控平臺(tái)可控制行走相機(jī)前后左右行走，便于操作人員進(jìn)行巡檢。

4 掘進(jìn)機(jī)器人控制模型建立

為了達(dá)到掘進(jìn)機(jī)器人按照預(yù)先設(shè)定的軌跡自動(dòng)掘進(jìn)的目的，設(shè)計(jì)了掘進(jìn)機(jī)器人控制流程，如圖4所示。首先根據(jù)巷道成型要求設(shè)計(jì)截割工藝路線，確定截割軌跡。然后根據(jù)截割點(diǎn)的位置和掘進(jìn)機(jī)器人的位姿，通過建立截割頭控制量解算模型得出掘進(jìn)機(jī)器人控制量，利用得到的控制量對(duì)掘進(jìn)機(jī)器人進(jìn)行截割控制。最后利用掘進(jìn)機(jī)器人機(jī)身傳感器檢測(cè)掘進(jìn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)后的位姿信息，經(jīng)截割頭位姿解算確定截割軌跡并進(jìn)行顯示，以驗(yàn)證截割軌跡是否正確。

圖4 掘進(jìn)機(jī)器人控制流程

4.1 坐標(biāo)系統(tǒng)定義

由于綜掘工作面采用相對(duì)定位法，需要定義6個(gè)坐標(biāo)系，即掘進(jìn)機(jī)器人機(jī)體坐標(biāo)系OsXsYsZs、巷道斷面坐標(biāo)系OdXdYdZd、巷道坐標(biāo)系OxXxYxZx,搖臂坐標(biāo)系OyXyYyZy,截割頭坐標(biāo)系OjXjYjZj、回轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)系OhXhYhZh，如圖5所示。

圖5 掘進(jìn)機(jī)器人及各連桿坐標(biāo)系統(tǒng)

4.2 掘進(jìn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與建模

掘進(jìn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)包括截割頭運(yùn)動(dòng)學(xué)和機(jī)體運(yùn)動(dòng)學(xué)。截割頭運(yùn)動(dòng)學(xué)描述截割頭相對(duì)于掘進(jìn)機(jī)器人機(jī)體的位姿關(guān)系，是截割斷面控制與監(jiān)測(cè)的依據(jù)。機(jī)體運(yùn)動(dòng)學(xué)描述掘進(jìn)機(jī)器人機(jī)體相對(duì)于作業(yè)巷道的位姿關(guān)系，是掘進(jìn)機(jī)器人定位和巷道成型控制的依據(jù)。

4.2.1 截割頭運(yùn)動(dòng)學(xué)

截割頭運(yùn)動(dòng)學(xué)分為截割頭實(shí)際位姿解算和截割頭控制量解算。

(1) 截割頭實(shí)際位姿解算是將各連桿的關(guān)節(jié)變量轉(zhuǎn)換到截割頭的位姿坐標(biāo)，以表示掘進(jìn)機(jī)器人的截割頭相對(duì)掘進(jìn)機(jī)器人機(jī)體的位置和姿態(tài)。

經(jīng)計(jì)算，得截割頭相對(duì)于機(jī)體坐標(biāo)系OsXsYsZs的齊次變換矩陣為

(1)

截割頭中心點(diǎn)Oj相對(duì)于掘進(jìn)機(jī)器人機(jī)體坐標(biāo)系的坐標(biāo)為

(2)

式中：d1為X方向截割頭中心點(diǎn)Oj與搖臂中心點(diǎn)Oy間的距離；d2為X方向搖臂中心點(diǎn)Oy與回轉(zhuǎn)臺(tái)中心點(diǎn)Oh間的距離；d3為X方向回轉(zhuǎn)臺(tái)中心點(diǎn)Oh與機(jī)體中心點(diǎn)Os間的距離；h1為Z方向截割頭中心點(diǎn)Oj與搖臂中心點(diǎn)Oy間的距離；h2為Z方向回轉(zhuǎn)臺(tái)中心點(diǎn)Oh與機(jī)體中心點(diǎn)Os間的距離；θ1為回轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)系OhXhYhZh繞機(jī)體坐標(biāo)系OsXsYsZs中Z軸的旋轉(zhuǎn)角；θ2為搖臂坐標(biāo)系OyXyYyZy繞回轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)系OhXhYhZh中Z軸的旋轉(zhuǎn)角。

若已知各連桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)d1，d2，d3，h1，h2和旋轉(zhuǎn)角θ1，θ2，即可得到截割頭中心點(diǎn)Oj在機(jī)體坐標(biāo)系中的位置。再通過機(jī)體坐標(biāo)系與巷道坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，即可求出截割頭中心點(diǎn)在巷道坐標(biāo)系的位置。在截割頭完成斷面截割后，即可確定截割斷面在巷道中的位置，并進(jìn)一步確認(rèn)巷道中心線的方向。

(2) 截割頭控制量解算是已知截割頭的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)，求解各連桿的關(guān)節(jié)變量，是掘進(jìn)機(jī)器人路徑規(guī)劃與截割斷面成型控制的基礎(chǔ)。本文采用機(jī)器人學(xué)[7-8]知識(shí)進(jìn)行求解，可將式(1)寫為

(3)

令式(1)第1行第2列的元素與式(3)第1行第2列的元素對(duì)應(yīng)相等、式(1)第2行第2列的元素與式(3)第2行第2列的元素對(duì)應(yīng)相等， 可得

(4)

式(4)中，sx，sy，nz，az均為已知量，因此可根據(jù)截割頭的位姿數(shù)據(jù)得出關(guān)節(jié)變量θ1，θ2。

4.2.2 機(jī)體運(yùn)動(dòng)學(xué)

掘進(jìn)機(jī)器人姿態(tài)以橫滾角α(機(jī)體繞Xs軸的旋轉(zhuǎn)角度)、仰俯角β(機(jī)體繞Ys軸的旋轉(zhuǎn)角度)和偏轉(zhuǎn)角γ(機(jī)體繞Zs軸的旋轉(zhuǎn)角度)來表示。為了使掘進(jìn)機(jī)器人按照預(yù)先設(shè)定的軌跡自動(dòng)掘進(jìn)，可通過坐標(biāo)變換矩陣計(jì)算出掘進(jìn)機(jī)器人機(jī)體相對(duì)于巷道坐標(biāo)系的位姿關(guān)系。

機(jī)體坐標(biāo)系sT相對(duì)于巷道坐標(biāo)系cT可表示為

(5)

機(jī)身傳感器安裝在機(jī)體上的位置是已知的，則cT為已知量，傳感器測(cè)得的掘進(jìn)機(jī)器人機(jī)體相對(duì)于測(cè)量坐標(biāo)系的位置記為(dx,dy,dz)，掘進(jìn)機(jī)器人機(jī)體繞測(cè)量坐標(biāo)系3個(gè)軸的相對(duì)姿態(tài)角為(α，β，γ)。掘進(jìn)機(jī)器人機(jī)體相對(duì)測(cè)量坐標(biāo)系的齊次變換矩陣為

(6)

將式(6)代入式(5)即可得到掘進(jìn)機(jī)器人機(jī)體運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。根據(jù)掘進(jìn)機(jī)器人機(jī)身傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)，結(jié)合掘進(jìn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)，可得出掘進(jìn)機(jī)器人在巷道中的位置和姿態(tài)。

5 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證煤礦掘進(jìn)機(jī)器人虛擬仿真與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能及各個(gè)模塊的有效性，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，搭建了掘進(jìn)機(jī)器人試驗(yàn)平臺(tái)及虛擬現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，如圖6所示，進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試并運(yùn)行。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，虛擬現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)對(duì)掘進(jìn)機(jī)器人的動(dòng)作控制方便快捷；通過控制模型對(duì)掘進(jìn)機(jī)器人進(jìn)行截割控制，虛擬掘進(jìn)機(jī)器人位置與掘進(jìn)機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)室實(shí)際位置基本一致；虛擬現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)對(duì)掘進(jìn)機(jī)器人傳感器數(shù)據(jù)的接收快捷、處理快速、顯示準(zhǔn)確。

1-虛擬現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)；2-機(jī)載控制器存放柜；3-掘進(jìn)機(jī)器人模型

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前煤礦采掘遠(yuǎn)程控制和智能化方面的需求，介紹了一種煤礦掘進(jìn)機(jī)器人虛擬仿真與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。在對(duì)掘進(jìn)機(jī)器人和巷道環(huán)境分析的基礎(chǔ)上，建立了掘進(jìn)機(jī)器人虛擬控制模型、運(yùn)動(dòng)控制模型、虛擬現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)、虛擬操控平臺(tái)，并對(duì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的掘進(jìn)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的功能進(jìn)行了詳細(xì)介紹。煤礦掘進(jìn)機(jī)器人虛擬仿真與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示掘進(jìn)機(jī)器人的工作位姿狀態(tài)和工作參數(shù)，根據(jù)機(jī)身傳感器數(shù)據(jù)下達(dá)動(dòng)作命令，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)器人自動(dòng)掘進(jìn)功能，提高了掘進(jìn)機(jī)器人在巷道中的定位和自動(dòng)掘進(jìn)能力，促進(jìn)了綜掘工作面智能化發(fā)展。

[1] 王學(xué)成,張維果,劉英林.懸臂式掘進(jìn)機(jī)現(xiàn)狀及發(fā)展淺析[J].煤礦機(jī)械,2010,31(8):1-3.

[2] 田劼,王紅堯,吳淼.掘進(jìn)自動(dòng)截割成形控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析[J].工礦自動(dòng)化,2015,41(6):40-44.

[3] 丁震.我國(guó)煤巷掘進(jìn)裝備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].工礦自動(dòng)化,2014,40(4):23-27.

[4] 張旭輝,馬宏偉,王天龍，等.一種掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)及方法：CN103867205A[P].2014-06-18.

[5] 楊海,李威,羅成名，等.基于捷聯(lián)慣導(dǎo)的采煤機(jī)定位定姿技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(12):2550-2556.

[6] 李文學(xué),饒運(yùn)清,戚得眾，等.全向輪機(jī)器人路徑規(guī)劃與導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2014(12):18-22.

[7] 蔡自興.機(jī)器人學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[8] 陳鵬,劉璐,余飛,等.一種仿人機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的幾何求解方法[J].機(jī)器人,2012,34(2):211-216.

Virtual simulation and remote control system for coal mine roadheader robot

ZHANG Xuhui1,2, CHEN Li1, MA Hongwei1, MAO Qinghua1, DU Yuyang1, ZHAO Youjun2

(1.School of Mechanical Engineering, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an 710054, China;2.Xi'an Coal Mining Machinery Co., Ltd., Xi'an 710032, China)

For problems that existing roadheader monitoring methods of video monitoring and telemetering had unclear monitoring images and cannot show pose and working conditions of roadheader, a virtual simulation and remote control system for coal mine roadheader robot was proposed. Design scheme of the system was introduced, and key technologies were researched including improvement of roadheader robot, remote control platform based on virtual reality and control model of roadheader robot. The system integrates underground miners, roadheader robot and underground environment information by use of virtual reality technology, and realizes functions of motion control of excavation process and mine roadway excavation control, which takes automatic tunneling of roadheader and remote intervention by human. The experimental result shows validity and good control performance of the system.

coal mining; mechanized excavation face; roadheader robot; automatic tunneling; roadway excavation control; virtual reality

2016-08-17；

2016-10-20；責(zé)任編輯：李明。

中國(guó)博士后科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(2015M582692);陜西省工業(yè)化信息化深度融合重點(diǎn)示范項(xiàng)目(2015KTCXSF-10-3);西安市產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(CXY1519-4)。

張旭輝(1972-)，男，陜西鳳翔人，教授，博士，研究方向?yàn)橹悄軝z測(cè)與控制、工業(yè)機(jī)器人，E-mail：zhangxh@xust.edu.cn。

1671-251X(2016)12-0078-06

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.12.017

TD633.2

A

時(shí)間：2016-12-01 10:54

http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161201.1054.017.html

張旭輝，陳利，馬宏偉，等.煤礦掘進(jìn)機(jī)器人虛擬仿真與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(12)：78-83.