第七章多機運動仿真關鍵技術戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造目錄CONTENTS7.1概述7.2復雜運動連接關系的機理解析與虛擬應用7.2.1裝備運動機理的獲取7.2.2運動機理的虛擬應用第7章多機運動仿真關鍵技術7.1概述戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造1

從液壓支架與中部槽連接圖可以看出浮動連接機構的運動與綜采支運裝備的相對位置息息相關，同時，反向研究的話，綜采支運裝備間的位置關系也受到浮動連接機構的運動姿態的影響，對其空間運動進行相關研究分析是對綜采支運裝備協同運動進行研究的關鍵之一。因此，本節以綜采支運裝備的關鍵連接結構—浮動連接機構為例進行多機運動仿真關鍵技術研究。液壓支架與中部槽連接圖第7章多機運動仿真關鍵技術7.2復雜運動連接關系的機理解析與虛擬應用戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造1更準確地了解設備的工作原理和運動特性，從而找出潛在的性能瓶頸和改進空間有助于優化生產流程，通過對設備運動狀態的實時監控和分析，及時發現生產過程中的異常情況可以預測設備可能出現的故障類型和原因，并提前采取相應的預防措施對裝備運動機理的深入分析裝備運動機理的獲取運動規律擬合法空間運動學第7章多機運動仿真關鍵技術7.2.1裝備運動機理的獲取戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造1運動規律擬合法

運動規律擬合法是一種通過數學和統計方法，對物體的運動規律進行擬合和描述的技術。它基于觀測到的運動數據，通過選擇合適的數學模型和參數，來逼近和模擬物體的真實運動過程。插入數據選擇圖表形式擬合過程擬合參數設置第7章多機運動仿真關鍵技術7.2.1裝備運動機理的獲取戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造1空間運動學正向運動學是用來描述裝備在空間中的位置和姿態的，它為運動控制提供了基礎逆向運動學是對已知裝備末端的位置和姿態，求解中間各結構的位姿空間運動學方法

空間運動學是對裝備在空間中的位置和姿態進行描述，分為正向運動學與逆向運動學兩部分本節以連接液壓支架與刮板輸送機的推移機構的運動機理解析為例進行說明。第7章多機運動仿真關鍵技術7.2.1裝備運動機理的獲取戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造1空間運動學

模型轉換

選取液壓油缸為基座，將連接頭的運動簡化為末端執行器繞著手腕處的偏轉運動，將連接頭簡化為末端執行器、連接頭與推移桿連接的銷軸簡化為具有偏航運動的旋轉關節、活塞桿與推移桿之間的連接銷軸簡化為機器人的具有偏航運動與俯仰運動的旋轉關節，液壓油缸與活塞桿簡化為機器人的棱柱關節第7章多機運動仿真關鍵技術7.2.1裝備運動機理的獲取戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造1空間運動學

D-H坐標系統的建立D-H坐標系統

若關節是做旋轉運動的：z軸位于按右手旋轉的方向；若關節是做平移運動的：z軸為沿直線運動方向，按照以上原則確定所有旋轉關節和棱柱關節的z軸；當關節不平行或相交時，確定兩z軸的公垂線，在此公垂線任意兩方向上定義本地坐標系的x軸，按照此方法確定所有旋轉關節和棱柱關節的x軸根據確定的機械手模型各關節的相對運動關系第7章多機運動仿真關鍵技術7.2.1裝備運動機理的獲取戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造1空間運動學

建立D-H參數表

根據建立的矩陣坐標系統，可以確定機械手模型的連桿是P||R(0°)，R⊥R(90°)，R⊥R(90°)，R||R(0)，R⊥P(90°)，根據建立的D-H矩陣坐標系確定D-H參數表，建立D-H參數表如表7-1所示。各關節變量的含義如表7-2所示。第7章多機運動仿真關鍵技術7.2.1裝備運動機理的獲取戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造1空間運動學

通過逆向運動學求解方程

通過下式建立活塞桿的伸長量、推移桿繞連接銷軸的偏轉角、俯仰角，連接頭的偏轉角與中部槽位姿間的關系。得到機械手模型的所有變換矩陣：第7章多機運動仿真關鍵技術7.2.1裝備運動機理的獲取戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造1空間運動學

通過逆向運動學求解方程根據，建立機械手模型的正向運動矩陣為：當末端位置矢量為(x0,y0,z0)時，正向運動矩陣可簡化為:

在中部槽位姿已知時，通過以下公式可對推移機構各結構運動進行求解。由以上公式得到浮動連接機構等價機械手模型各關節的運動規律，根據關節路徑最短的原則確定最優解。第7章多機運動仿真關鍵技術7.2.2運動機理的虛擬應用戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造1

在獲得裝備運動機理后，為了實現裝備自適應運動仿真，在解析得到運動規律后，需要通過C#語言將所得公式轉換為可以控制模型動作的語句。本節以推移機構運動規律的虛擬應用為例進行介紹。關鍵點設置結構層次關系的設置虛擬控制模型的建立第7章多機運動仿真關鍵技術7.2.2運動機理的虛擬應用戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造1

關鍵點設置關鍵點位置

在推移機構液壓油缸與活塞桿交接處標記一個點“標記1”作為機械手模型基座的虛擬映射，將其余旋轉關節用系列銷軸進行標記，末端執行器捕捉位置通過在連接頭連接處中心位置的“標記2”進行虛擬映射；液壓支架移架時，機械手模型的末端執行器捕捉刮板輸送機推移耳座處的“移架點”處的關鍵點；液壓支架推溜時，機械手模型的末端執行器捕捉“推溜點”處的關鍵點。第7章多機運動仿真關鍵技術7.2.2運動機理的虛擬應用戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造1

結構層次關系的設置父子關系圖

液壓支架移架時會帶動整個支架的運動，液壓支架推溜時會將刮板輸送機推移一定的步距，使刮板輸送機的位姿發生變化。為了實現以上過程，需要按照如圖所示內容在虛擬環境下對液壓支架底座和刮板輸送機的父子關系進行配置第7章多機運動仿真關鍵技術7.2.2運動機理的虛擬應用戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造1

虛擬控制模型的建立根據獲得的浮動連接機構的運動規律，將關節變量d1定義為Position，θ2定義為ZhuanJiao2，θ3定義為ZhuanJiao3，θ4定義為ZhuanJiao4，把針對不同條件確立的最優解轉化為C#語言，通過Position、ZhuanJiao2、ZhuanJiao3、ZhuanJiao4控制虛擬浮動連接機構相關結構的移動和旋轉，實現液壓支架的精準推移。通過以下腳本獲得刮板輸送機中部槽上推溜點“BiaoJi1”的x坐標，其余坐標也相同的方式獲得。GameObject.Find("GBJ").GetComponent<GBJControl>().BiaoJi1.transform.position.x；將獲得的運動規律通過C#語言的形式編入系統中，實現浮動連接機構的各虛擬關節運動參數的語言轉換，以轉角1為例進行說明。ZhuanJiao1=Mathf.Atan(dx1/dy1);第七章多機運動仿真關鍵技術7.3.1虛擬傳感器的建立戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造11.虛擬紅外測距傳感器的建立

激光測距傳感器中的發射器按照一定角度向外發射激光光束，光束遇到障礙物反射回來被檢測器檢測到，經過時差計算可以獲得傳感器與障礙物之間的距離信息。

根據紅外測距傳感器默認的測量刻度值為0.25cm的這一特點，基于實際傳感器讀數原理，設計了紅外測距傳感器數字孿生體讀數的規則，如圖所示。第七章多機運動仿真關鍵技術7.3.1虛擬傳感器的建立戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造22.虛擬傾角傳感器的建立

在虛擬場景中，虛擬物體的Transform組件中的Rotation屬性便可以顯示物體在空間中的姿態角。根據這一特點，可以通過訪問虛擬液壓支架相關構件的Transform.rotation屬性結合虛擬支架構件的初始角度，從而得到液壓支架主體相關構件的角度，這樣便可以實現虛擬傳感器的角度測量功能。如圖（a）所示，為虛擬傾角傳感器的安裝位置，圖（b）為測量獲得的傾角的數值。第七章多機運動仿真關鍵技術7.3.2裝備間虛擬約束關系構建戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造3

在虛擬煤層底板上安裝MeshCollider物理組件，依次在刮板輸送機各中部槽、液壓支架上安裝若干BoxCollider物理組件，最終可實現煤機裝備在虛擬煤層底板上的自適應鋪設。

采用CharacterJoint連接相鄰兩中部槽，將鉸鏈安裝于兩相鄰中部槽的中間位置，以實現彎曲時刮板輸送機中部槽受到相鄰兩中部槽的約束力；根據工業生產要求，刮板輸送機相鄰兩中部槽的最大彎曲角度為4°，分別將LowTwistLimit與HighTwistLimit設置為-4與4，最終實現裝備間虛擬約束關系的構建。第七章多機運動仿真關鍵技術7.4運動虛擬仿真環境設置戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造4

在刮板輸送機由靜至動滑移的過程中，加上采煤機在行走過程中灑水以及粉塵等因素的影響，使得裝備與煤層底板間的摩擦因數存在一個轉換。為了準確描述此摩擦過程，采用Stribeck摩擦模型確定中部槽與煤層底板間的摩擦系數。

根據裝備在推進中的運動與力學特性，得到虛擬裝備的力學特性進行設置方案如下表所示。參數參數改變方式作用摩擦因數通過PhysicalMaterial組件，對煤層底板與裝備之間的摩擦關系進行設置。改變虛擬仿真系統中虛擬煤層底板與煤機裝備之間的摩擦因數。使摩擦力對推進中裝備運動產生影響。裝備重力利用Rigidbody類對各裝備的質量值進行修改。保證裝備運動過程的力學屬性。運行阻力利用AngularDrag和Drag單元進行中部槽阻力設置AngularDrag單元產生阻礙物體旋轉的力；Drag單元的方向與物體的運動方向相反，用來阻礙物體的運動。第七章多機運動仿真關鍵技術7.4運動虛擬仿真環境設置戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造5

為了實現虛擬環境與物理環境下的煤機裝備映射關系的建立，需要在虛擬環境下對煤機裝備進行參數化配置。虛擬環境下水平彎曲阻力與橫向彎曲阻力分別為1.46N與2.48N，在Unity3d中，設置AngularDrag的值為3.94N；得到虛擬環境下，刮板輸送機的總運行阻力即Drag值為19.334N，摩擦因數為0.35，Unity3d與實際空間中的換算比例為100:1，其他參數配置結果如下表所示。名稱型號研究對象理論值實際值(Unity3d)液壓支架ZY11000/18/38D底座約為7700Kg約為77Kg刮板輸送機SGZ800/1050中部槽153Kg1.53Kg采煤機MG400/920-WD采煤機52000Kg520Kg中部槽間距—相鄰兩中部槽0.216cm第七章多機運動仿真關鍵技術7.5.1綜采支運裝備協同運動仿真戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造61.推移點位置確定

將獲得的運動規律賦給虛擬液壓支架，在刮板輸送機推移耳座內標記關鍵點作為機械手模型末端執行器的最終位置，由于虛擬刮板輸送機的姿態是隨著虛擬綜采工作面的推進不斷變化的，因而關鍵點的位置在虛擬環境下也是實時變化的，通過改變刮板輸送機上關鍵點的位置來確定推溜點與拉架點。

在刮板輸送機推移耳座上標記推溜與移架的關鍵點作為推移機構等價機械手模型末端執行器的捕捉位置，在虛擬環境下得到推移機構各結構的運動變量的具體值，液壓支架按得到的各運動變量值精準推移。在此情況下，銷耳間隙的影響可以較理想的得到解決。第七章多機運動仿真關鍵技術7.5.1綜采支運裝備協同運動仿真戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造72.刮板輸送機運動虛擬轉換

在獲得了刮板輸送機位置坐標的基礎上，需要轉換為Unity3D環境下可驅動刮板輸送機推進的信息，本文選取的驅動因子為相鄰兩中部槽間的相對偏轉角度，因而需要建立位置坐標與偏轉角間的轉換機制。Rodrigues參數是計算三維空間中，一個向量繞旋轉軸旋轉給定角度以后得到的新向量的計算公式。

基于Rodrigues參數的中部槽虛擬位姿轉換第七章多機運動仿真關鍵技術7.5.1綜采支運裝備協同運動仿真戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造8

第七章多機運動仿真關鍵技術7.5.1綜采支運裝備協同運動仿真戰略性新興領域教材建設團