王學(xué)文 李素華 謝嘉成

收稿日期：2023-04-27? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 修回日期：2023-06-14

作者簡介：王學(xué)文，男，教授，博士生導(dǎo)師，博士，研究方向?yàn)槊簷C(jī)裝備設(shè)計(jì)理論與信息化技術(shù)；李素華，女，博士研究生，研究方向?yàn)槊簷C(jī)裝備設(shè)計(jì)理論與信息化技術(shù)；謝嘉成，男，副教授，博士，研究方向?yàn)槊簷C(jī)裝備設(shè)計(jì)理論與信息化技術(shù)。

基金項(xiàng)目：教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“礦用機(jī)器人及智能裝備虛實(shí)融合創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)”（221003940061013）、“基于數(shù)字孿生的煤礦井下多功能機(jī)器人系統(tǒng)研究”（221003940061228）；中國高等教育學(xué)會(huì)高等教育科學(xué)研究規(guī)劃重點(diǎn)課題“面向煤機(jī)特色機(jī)械專業(yè)虛實(shí)融合實(shí)踐教學(xué)的數(shù)字模型資源庫建設(shè)與應(yīng)用”（22SZH0306）；中國學(xué)位與研究生教育研究重點(diǎn)課題“利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提高機(jī)械工程專業(yè)學(xué)位研究生實(shí)踐能力的模式與實(shí)踐”（2020ZDA12）；山西省高等學(xué)校教學(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目“煤機(jī)裝備數(shù)字孿生實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)與教學(xué)實(shí)踐”（J20230254）

摘? ? 要：綜采支運(yùn)裝備浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)是煤礦綜采裝備教學(xué)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，虛擬教學(xué)模型是完成專業(yè)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)的重要手段。文章基于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析，建立了綜采支運(yùn)裝備浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)簡化模型；通過建立虛擬裝備模型和虛擬煤層底板模型，并基于虛擬接觸關(guān)系與虛擬控制模型，實(shí)現(xiàn)了綜采支運(yùn)裝備虛擬浮動(dòng)連接和虛擬協(xié)同推進(jìn)；以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了綜采支運(yùn)裝備虛擬調(diào)直教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，描述了實(shí)驗(yàn)過程。虛擬教學(xué)模型可以有效支持教師對(duì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)的深度理解。

關(guān)鍵詞：虛擬教學(xué)模型；實(shí)踐教學(xué)；專業(yè)實(shí)驗(yàn)；綜采裝備

中圖分類號(hào)：G644? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1002-4107（2024）02-0054-03

一、引言

煤機(jī)裝備及其應(yīng)用場(chǎng)所（煤礦）實(shí)驗(yàn)環(huán)境差、實(shí)驗(yàn)安全性難以保障，而煤機(jī)裝備虛擬教學(xué)模型可以在遠(yuǎn)離危險(xiǎn)生產(chǎn)環(huán)境下，順利完成虛擬認(rèn)知[1]、虛擬操作[2]、虛擬實(shí)驗(yàn)[3-4]等環(huán)節(jié)，為煤機(jī)特色機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生完成實(shí)踐與實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供安全保障。文章針對(duì)煤礦綜采裝備教學(xué)中的難點(diǎn)和重點(diǎn)內(nèi)容——綜采支運(yùn)裝備浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)，進(jìn)行虛擬教學(xué)模型設(shè)計(jì)，并通過具體實(shí)踐教學(xué)，有效支持教師對(duì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，提高實(shí)驗(yàn)效率，改善實(shí)驗(yàn)環(huán)境，提升實(shí)踐教學(xué)效果。

二、綜采支運(yùn)裝備浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)

在綜采工作面中，液壓支架主要負(fù)責(zé)對(duì)煤層頂板進(jìn)行支護(hù)，將采空區(qū)與開采區(qū)進(jìn)行隔離，確保開采環(huán)境安

全，同時(shí)負(fù)責(zé)采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)的推進(jìn)。刮板輸送機(jī)是綜采工作面的運(yùn)輸設(shè)備，主要負(fù)責(zé)煤炭物料的運(yùn)輸，同時(shí)是采煤機(jī)的行走軌道與液壓支架進(jìn)行移架時(shí)的支點(diǎn)。文章將液壓支架和刮板輸送機(jī)簡稱為“綜采支運(yùn)裝備”。

液壓支架推移機(jī)構(gòu)是將綜采支運(yùn)裝備進(jìn)行連接的浮動(dòng)機(jī)構(gòu)，簡稱為“浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)”，其主要組成部分包括推移油缸、活塞桿、推移桿、連接頭。其運(yùn)動(dòng)包括活塞桿的伸長、推移桿的俯仰運(yùn)動(dòng)和偏航運(yùn)動(dòng)、連接頭的偏航運(yùn)動(dòng)等，如圖1所示。

三、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

（一）機(jī)構(gòu)簡化模型

在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)中，用位移量、橫滾角、俯仰角、偏轉(zhuǎn)角，以及角度間的組合來描述機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)[5]。如圖2所示，選取推移油缸為基座，將連接頭的運(yùn)動(dòng)簡化為末端執(zhí)行器繞著手腕處的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，連接頭與推移桿連接的銷軸簡化為具有偏航運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，活塞桿與推移桿之間的連接銷軸簡化為機(jī)器人具有偏航運(yùn)動(dòng)與俯仰運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，推移油缸與活塞桿簡化為機(jī)器人的棱柱關(guān)節(jié)。

（二）機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)解析

將獲得的運(yùn)動(dòng)規(guī)律賦予虛擬液壓支架，在刮板輸送機(jī)推移耳座內(nèi)標(biāo)記關(guān)鍵點(diǎn)作為機(jī)械手模型末端執(zhí)行器的最終位置；通過刮板輸送機(jī)上標(biāo)記的關(guān)鍵點(diǎn)位置確定推溜點(diǎn)與移架點(diǎn)；根據(jù)推移桿和連接頭是否與液壓支架底座、刮板輸送機(jī)推移耳座相干涉確定最優(yōu)解。確定推溜點(diǎn)和移架點(diǎn)的位置后，使浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)按一定行程推移，虛擬環(huán)境下浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)與實(shí)際環(huán)境下保持一致，即表明選擇的運(yùn)動(dòng)規(guī)律合理。

四、建立虛擬模型

（一）支運(yùn)裝備模型

在UG軟件中進(jìn)行等比例建模、運(yùn)動(dòng)關(guān)系裝配及相關(guān)的參數(shù)配置后，將其以STL格式導(dǎo)出后導(dǎo)入3DMax，再次進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換及模型比例的設(shè)置，得到可導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D虛擬仿真引擎的FBX格式的三維模型[6]。

（二）煤層底板模型

如圖3所示，利用UG軟件中逆向工程模塊，對(duì)煤層底板進(jìn)行建模[7]。將若干數(shù)據(jù)點(diǎn)導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件，此時(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)在UG坐標(biāo)系下按照既定順序形成煤層底板，通過UG軟件中的逆向工程模塊，將煤層底板數(shù)據(jù)點(diǎn)云通過參數(shù)化對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合；基于章節(jié)（一）模型轉(zhuǎn)換思路，完成虛擬煤層底板模型構(gòu)建。

五、虛擬浮動(dòng)連接

（一）建立虛擬物理關(guān)系

Unity3D中的物理引擎組件可實(shí)現(xiàn)虛擬模型的物理關(guān)系約束建立[8]。如圖4所示，在虛擬煤層底板上安裝

Mesh Collider 組件，依次在刮板輸送機(jī)中部槽、液壓支架群上安裝Rigidbody組件及若干Box Collider組件，在刮板輸送機(jī)鏟煤板邊緣安裝Capsule Collider組件，由此建立了支運(yùn)裝備與煤層底板間的虛擬接觸模型。

（二）實(shí)現(xiàn)虛擬連接

1.設(shè)置浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)等價(jià)機(jī)械手模型關(guān)鍵點(diǎn)

如圖5所示，在推移機(jī)構(gòu)推移油缸與活塞桿交接處以“標(biāo)記1”作為機(jī)械手模型基座的虛擬映射，將其余旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)用系列銷軸進(jìn)行標(biāo)記，末端執(zhí)行器捕捉位置通過在連接頭連接處中心位置的“標(biāo)記2”進(jìn)行虛擬映射；液壓支架移架時(shí)，末端執(zhí)行器捕捉 “移架點(diǎn)”處的關(guān)鍵點(diǎn)；液壓支架推移刮板輸送機(jī)時(shí)，末端執(zhí)行器捕捉“推溜點(diǎn)”處的關(guān)鍵點(diǎn)。

2.建立支運(yùn)裝備父子關(guān)系

液壓支架移架時(shí)會(huì)帶動(dòng)整個(gè)支架的運(yùn)動(dòng)，液壓支架推移時(shí)會(huì)使刮板輸送機(jī)的位姿發(fā)生變化。為了實(shí)現(xiàn)以上過程，按照?qǐng)D6所示，在虛擬環(huán)境下對(duì)液壓支架底座和刮板輸送機(jī)的父子關(guān)系進(jìn)行配置。

六、虛擬協(xié)同推進(jìn)

（一）刮板輸送機(jī)彎曲

采煤機(jī)在初始階段時(shí)處于機(jī)頭或者機(jī)尾位置，在該位置一定距離內(nèi)的刮板輸送機(jī)處于彎曲狀態(tài)。根據(jù)采煤機(jī)運(yùn)行軌跡，將其軌跡反演至刮板輸送機(jī)上，根據(jù)軌跡的彎曲情況確定各節(jié)中部槽的彎曲角度，通過預(yù)定義的腳本形式表示，通過函數(shù)命令控制各節(jié)中部槽的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)虛擬環(huán)境下“S”形彎曲姿態(tài)。

（二）液壓支架推移

在每臺(tái)液壓支架上安裝相應(yīng)控制腳本作為虛擬模型的驅(qū)動(dòng)部分，通過函數(shù)命令分別控制液壓支架的推溜與移架過程。在Rigidbody、Collider物理引擎與腳本的控制下，基于浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)液壓支架推移過程。移架后狀態(tài)如圖7所示。

（三）虛實(shí)結(jié)合協(xié)同推進(jìn)

選取液壓支架底座和刮板輸送機(jī)為對(duì)象，在物理引擎的作用下，支運(yùn)裝備自適應(yīng)鋪設(shè)在虛擬煤層底板上；基于浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，液壓支架推移機(jī)構(gòu)在腳本控制下自動(dòng)捕捉相應(yīng)中部槽上的關(guān)鍵點(diǎn)，將刮板輸送機(jī)推移成既定姿態(tài)，液壓支架隨后移架，實(shí)現(xiàn)虛擬支運(yùn)裝備協(xié)同推進(jìn)。

圖8為支運(yùn)裝備浮動(dòng)連接實(shí)體教學(xué)模型，該教學(xué)模型在保留液壓支架推移框架結(jié)構(gòu)的前提下進(jìn)行實(shí)際裝備結(jié)構(gòu)的簡化，保留實(shí)際支運(yùn)裝備推溜、移架功能，面向?qū)W生對(duì)比介紹實(shí)體教學(xué)模型與實(shí)際裝備間的關(guān)系及使用原理，有利于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)專業(yè)裝備的認(rèn)知能力。

同時(shí)，在虛擬環(huán)境下建立實(shí)際支運(yùn)裝備的虛擬模型，通過虛實(shí)結(jié)合方式協(xié)同推進(jìn)，可針對(duì)活塞桿伸長量、推移桿偏航角、推移桿俯仰角、連接頭偏航角4個(gè)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。

七、虛擬調(diào)直教學(xué)實(shí)驗(yàn)

（一）虛擬調(diào)直實(shí)驗(yàn)總體方案

如圖9所示，初始狀態(tài)時(shí)，液壓支架與刮板輸送機(jī)均進(jìn)行對(duì)中處理，液壓支架推移機(jī)構(gòu)在靜止?fàn)顟B(tài)下與刮板輸送機(jī)推移耳座在一條直線上，液壓支架推移刮板輸送機(jī)，此時(shí)刮板輸送機(jī)彎曲成既定姿態(tài)；實(shí)時(shí)獲得浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)目標(biāo)位置與推移油缸體的相對(duì)位置差后，液壓支架群移架；液壓支架以前一刀刮板輸送機(jī)預(yù)測(cè)的軌跡為依據(jù)，推移刮板輸送機(jī)；推移完畢后，液壓支架移架，此時(shí)液壓支架群直線度不滿足要求；調(diào)整液壓支架的位置，使綜采支運(yùn)裝備具有較好的直線度。

（二）虛擬調(diào)直教學(xué)系統(tǒng)及功能

設(shè)計(jì)“煤層+支運(yùn)裝備”的聯(lián)合虛擬調(diào)直教學(xué)系統(tǒng)的操作界面如圖10所示。點(diǎn)擊“開始”按鈕，液壓支架推移刮板輸送機(jī)；點(diǎn)擊“移架”按鈕，液壓支架群移架；點(diǎn)擊“調(diào)直”按鈕，液壓支架以前一刀刮板輸送機(jī)預(yù)測(cè)的軌跡為依據(jù)進(jìn)行推溜；再次點(diǎn)擊“移架”按鈕，液壓支架移架，此時(shí)液壓支架群不滿足直線度要求；點(diǎn)擊“調(diào)整支架”按鈕，通過對(duì)液壓支架的位置進(jìn)行調(diào)整實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架群的直線度調(diào)整；點(diǎn)擊“刮板輸送機(jī)數(shù)據(jù)”按鈕，可以將刮板輸送機(jī)各中部槽的位置以XML文件格式實(shí)時(shí)輸出；點(diǎn)擊“底板起伏+”按鈕，觸發(fā)一次可實(shí)現(xiàn)底板凸起20 mm；點(diǎn)擊“底板起伏-”按鈕，觸發(fā)一次可實(shí)現(xiàn)底板下陷20 mm。

八、結(jié)束語

文章先分析了綜采支運(yùn)裝備浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)空間運(yùn)動(dòng)模型，對(duì)其運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了解析，為虛擬教學(xué)模型設(shè)計(jì)提供了依據(jù)；其次，建立了虛擬支運(yùn)裝備模型和虛擬煤層底板模型，通過建立虛擬物理關(guān)系，構(gòu)建了虛擬接觸模型；再其次，通過設(shè)置浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)等價(jià)機(jī)械手模型關(guān)鍵點(diǎn)、建立液壓支架與刮板輸送機(jī)父子關(guān)系，以及構(gòu)建浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)的虛擬控制模型，完成了綜采支運(yùn)裝備虛擬浮動(dòng)連接，并實(shí)現(xiàn)了綜采支運(yùn)裝備虛擬教學(xué)模型協(xié)同推進(jìn)；最后，設(shè)計(jì)了綜采支運(yùn)裝備虛擬調(diào)直教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，完成了“綜采支運(yùn)裝備+煤層底板”聯(lián)合虛擬調(diào)直教學(xué)實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)?？傊摂M教學(xué)模型可以展示連續(xù)性動(dòng)作，可以重復(fù)觀看和操作。通過虛擬教學(xué)模型，學(xué)生可以直觀地觀察裝備結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)及成套裝備的相互配合，加深對(duì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)的深度理解。

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■ 編輯∕丁俊玲