煤矿掘进机器人虚拟仿真与远程控制系统.pdf

第 4 2卷 第 1 2 期 2 0 1 6年 1 z 月 工矿 自 动化 I n dus t r y a n d M i ne Au t oma t i on Vo 1 ． 4 2 NO ． 1 2 De c ． 2 O 1 6 ’’ 。 ’ i 经验交流 _ ． ． ． _ ． ◆ ◆ 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 1 2 0 0 7 8 0 6 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 1 2 ． 0 1 7 张旭辉 ， 陈利 ， 马宏伟 ， 等． 煤矿掘进机器人虚拟仿真与远程控制系统[ J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 6 ， 4 2 1 2 7 8 8 3 ． 煤矿掘进机器入虚拟仿真与远程控制系统 张旭辉 一， 陈利 ， 马宏伟 ， 毛 清华 ， 杜 昱 阳 ， 赵 友 军。 1 ． 西安科技大学 机械工程学院， 陕西 西安 7 1 0 0 5 4 ； 2 ． 西安煤矿机械有限公司 ， 陕西 西安 7 1 0 0 3 2 摘要 针对现有掘进机视频监控和遥测遥控等监控 方式存在 图像不清晰、 无法真实反映掘进机位姿和工 况状 态等 问题 ， 提 出 了一种 煤矿掘 进机 器人 虚拟 仿真 与远 程 控 制 系统 ， 介 绍 了 系统 方案 设 计 ， 对掘 进 机 器人 改进设 计 、 虚拟仿 真远 程监 控平 台、 掘 进机 器人 控制模 型 等 关键 技 术进行 了研 究。该 系统利 用虚 拟现 实技 术 有机整 合 井下操 作人 员、 掘 进机 器人 和 井下环 境信 息 ， 以掘 进机 器人 自动 掘进 和 远 程人 工干 预 为 目的 ， 实现 了掘进过程的运动控制和巷道成型掘进控制功能 。实验结果验证 了该 系统的有效性和 良好的控制性能。 关键 词 煤 炭 开采 ；综掘 工作 面 ；掘进 机 器人 ；自动掘进 ；巷道 自动 成型控 制 ； 虚 拟现 实 中图分类 号 TD 6 3 3 ． 2 文献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 6 1 2 0 1 1 0 5 4 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 1 2 0 1 ． 1 0 5 4 ． 0 1 7 ． h t ml Vi r t ua l s i mul a t i o n a nd r e mo t e c o nt r o l s y s t e m f o r c o a l mi n e r o a d h e a d e r r o b o t ZHANG Xu h u i 一， CHE N Li ， MA Ho n g we i ， MAO Qi n g h u a ， DU Yu y a n g ， Z HAO Yo u j u n 1． Sc ho o l o f M e c ha ni c a l En g i ne e r i ng，Xi a n U n i v e r s i t y o f Sc i e nc e a nd Te c hno l o gy，Xi a n 7 1 0 05 4，Chi na； 2 ． Xi a n Co a l M i n i n g M a c h i n e r y Co ． ，L t d． ，Xi a n 7 1 0 0 3 2 ，Ch i n a Ab s t r a c t For pr o bl e ms t ha t e x i s t i ng r o a d he a d e r m o ni t or i n g m e t ho ds o f v i d e o mo ni t o r i n g a n d t e l e me t e r i n g h a d u n c l e a r mo n i t o r i n g i ma g e s a n d c a n n o t s h o w p o s e a n d wo r k i n g c o n d i t i o n s o f r o a d h e a d e r ，a vi r t u a l s i mul a t i on a nd r e m o t e c o nt r o l s ys t e m f o r c o a l m i ne r o a d he a d e r r ob ot wa s p r o p os e d．De s i gn s c he me o f t h e s y s t e m wa s i n t r o d u c e d，a n d k e y t e c h n o l o g i e s we r e r e s e a r c h e d i n c l u d i n g i mp r o v e me n t o f r o a d h e a d e r r o bo t ，r e m o t e c on t r o l p l a t f or m ba s e d o n v i r t ua l r e a l i t y a nd c o nt r o l mod e l o f r o a dhe a d e r r ob ot ．The s ys t e m i n t e g r a t e s un de r g r ou nd m i n e r s， r o a dh e a d e r r ob o t a nd u nd e r gr o un d e n vi r o n m e n t i nf o r ma t i on b y us e o f v i r t u a l r e a l i t y t e c h n o l o g y ，a n d r e a l i z e s f u n c t i o n s o f mo t i o n c o n t r o l o f e x c a v a t i o n p r o c e s s a n d mi n e r o a d wa y e xc a v a t i on c o nt r o l ，w h i c h t a k e s a ut o ma t i c t un ne l i ng of r oa dh e a d e r a nd r e mo t e i n t e r v e n t i o n by hu m a n．The e x p e r i me n t a l r e s u l t s h o ws v a l i d i t y a n d g o o d c o n t r o l p e r f o r ma n c e o f t h e s y s t e m ． Ke y wo r d s c o a l m i n i ng；m e c h a ni z e d e xc a v a t i on f a c e；r o a d he a de r r o bo t ；a ut oma t i c t u nne l i ng；r o a d wa y e xc a v a t i on c on t r o l v i r t ua l r e a l i t y 0 引言 传统 煤 矿 巷 道掘 进设 备 的 自动化 、 智 能化 程 度 较低 ， 依靠操作人员实 现截割断面成型控制和掘进 机位姿调整 ， 会 产生截割断 面超挖、 欠挖 多发等 问 题 ， 且掘进效率低下 ， 致使采掘失衡 ， 严重影响了煤 收稿 日期 2 0 1 6 - 0 8 1 7 ； 修回 日期 2 0 1 6 - 1 0 - 2 0 ； 责任编辑 李 明。 基金项 目 中国博士后科学基金面上资助项 目 2 0 1 5 M5 8 2 6 9 2 ； 陕西省工业 化信息化 深度融合重点示范项 目 2 0 1 5 KT C XS F - 1 0 3 ； 西安市产学 研协同创新计划资助项 目 C XY1 5 1 9 4 。 作者简介 张旭辉 1 9 7 2 ～ ， 男 ， 陕西凤翔人 ， 教授 ， 博士 ， 研究方向为智能检测与控制 、 工业机器人 ， E ma il z h a n g x h x u s t ． e d u ． a n 。 2 0 1 6年 第 1 2期 张旭 辉等 煤矿 掘进 机 器人虚 拟仿 真 与远程 控 制 系统 7 9 矿 井下 开 采 的组织 节拍 。 目前井 下掘 进机 监控 方式 主要包 括 视频 监控 和遥 测 遥控 。 由于煤矿 井下 环境 复杂 、 粉尘较 多， 导致这 2种方式 的监 控 图像不 清 晰 ， 监 控 人员无 法 得 到 真 实 的 掘进 机 位 姿 和 工 况 等 信息 。综掘工作面 自动化程度已成为制约煤矿安全 高效生产的关键环节[ 1 ] 。高效 自动掘进设备是近年 的研究热点 ， 国内研究机构 和学者在掘进机 自动控 制方面的研究成果显著。中国矿业大学吴淼教授主 持完 成 国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 8 6 3计 划 项 目 “ 掘进 机 远程 控制 技 术及 监 测 系统 ” ， 在 悬 臂 式 掘进 机近 点遥 控 、 井 下 遥控 、 地 面监测 和 自动截 割 成型控 制等方面取得了较大进展[ 2 ] 。神华集团有限责任公 司研发出全断面煤巷快速 自动化掘进系统及关键装 备 ， 成功实现最高月进尺超过 4 0 0 0 r r l 的 目标 。上 述 2种 巷道 成型 控 制 方案 和实 现 方 式 不 同 ， 均 有 效 地提 高 了掘进 系 统 的 自动 化水平 。通过 吸收 国 内外 成熟先进 的自动化和信息化技术 ， 国内学者对掘进 机定 位 导 向等全 过 程 进行 了数 字 化 表 达 ， 以实 现 无 人作业 目标口 ] 。笔者在参考文献[ 4 3 中提 出借助虚 拟现实技术辅助决策掘进机等煤矿井下设备的远程 控制 ， 将 群 机 器 人 理 念 用 于 煤 矿 综 采 、 综 掘 工 程 应 用 ， 并建立了一系列实验平 台， 系统地进行研究 ， 实 现了控制人员、 掘进机器人 、 井下巷道环境信息的良 好交互 ， 为操作者提供 了良好的远程人工干预决策 支 持 。 本文设计了一种煤矿掘进机器人虚拟仿真与远 程 控制 系统 ， 可有 效 提 高 掘 进 机 器 人 自动 掘 进 和 成 型掘进 的 能力 ； 利用 虚拟 现实 技术 ， 构 建 了一种 浸入 感 强 、 交 互 性好 的掘 进机 器人 远程 监控 平 台 ， 完 成掘 进机器人的 自动掘进和远程人为干预， 使 自动掘进 工作安全 、 高效进行 ， 实现不同断面形状巷道的少人 甚 至无 人 掘进 。 1 系统 组成及 工 作原 理 基于虚拟现实技术的煤矿掘进机器人虚拟仿真 与远程 控 制系 统 由虚 拟 操 控 平 台 、 虚 拟 现 实 远程 监 控平台、 掘进机器 人、 机 身传感器 和机 载控制器组 成 ， 如图 1所示 。虚拟操控平 台由操控台、 数 据库 、 虚拟现实数据接 口和高速数据采集卡组成， 以实现 掘进机器人远程控制命令的发送。虚拟现实远程监 控平 台由虚 拟掘进 机 器人 与综 掘场 景模 型 、 灯 光 、 相 机 和人 机交 互界 面 组 成 ， 实 现 掘 进 机器 人 工 作 状 态 的真实 再 现和数 据监 测功 能 。掘进 机 器人是 一 种可 编程的高 自动化掘进机 ， 为 了执行不同的掘进任务 而具有可用电脑改变和可编程动作 的能力 。机身传 感器 用 于测量 掘 进 机器 人 位 姿 工 况信 息 ， 为掘 进 机 器人 的定位和掘进提供依据。机载控制器完成掘进 机器人本地控制 、 掘进机器人 主要部件工况参数 的 预处 理 和特征 提 取 。 虚 拟 操 控 m 台 掘进机器人虚拟控制模型 茎 茎 耍 星 鍪 茎 塞 篮 銎 籍 3 D 调 用控 制l t 工 况 信 指令● l 息反馈 掘进机器人机载控制器 。 。 。 。 。 。。 。 。 1 ’ r ‘‘ 。 。 。 一 控 制l t 工 况 信 指 令● l 息反馈 l各类传感 掘进机器人 I器、捷联 l惯导系统 } 液压自 伸缩量 截割头 控制量 解算 各连杆 关节 变量 图 1 系 统组 成及 工作 原理 虚拟操控平台发送控制指令 ， 控制信号 由高速 数 据采 集卡 和虚 拟现 实数 据接 口进行 采集 并分 类存 入数据库。在虚拟现实远程监控平台中， Qu e s t 3 D 虚拟现实软件程序读取数据库 中的控制指令 ， 将其 通过通信总线发送给掘进机器人机载控制器 ， 以驱 动井下掘进机器人运动 。同时 ， 虚拟操控平台控制 指 令驱 动虚 拟掘 进 机 器人 运 动 ， 实现 虚 拟 掘 进 机器 人 与井 下掘 进机 器 人 同步 动 作 。掘 进 作业 时 ， 虚 拟 现实远程监控平 台按照巷道界面和截割头尺寸等编 制截割轨迹， 对截割头控制量进行解算 ， 求解出各连 杆关节变量 ， 确定各液压缸伸缩量。虚拟现实远程 监控平 台将各液压缸伸缩量控制指令发送给掘进机 器人机 载 控制 器和 虚拟 现实 远程监 控平 台中的虚 拟 掘进机器人， 实现掘进机器人 的 自动控制。机载控 制器采集掘进机器人位姿和工况状态数据 ， 对数据 进行处理后通过通信总线发给虚拟现实远程监控平 台， 利用数据库对各类传感器和捷联惯导系统[ 5 数 据进行归档整理、 存储 。虚拟现实远程监控平 台实 时读取并处理数据库中存储 的掘进机器人位姿工况 数据 ， 以此修正井下掘进机器人的位姿， 显示掘进机 器人 的真 实 运行状 态 ， 为 掘进 机 器 人 远 程监 控 提 供 决策 依据 。 2掘进 机器 人 改进设 计 为 了适应 自动化掘进控制 ， 对传统的掘进机器 人 结构 进行 改进 ， 并 安装 了掘 进机器 人定 位 、 位 姿 和 工况检测方面的传感器。 现 有 掘进机 器人 行走 装 置 由 2台液 压 电动机驱 动， 通过减速机 、 驱动链轮及履带实现行走 ， 但这种 数 据 库 实 口 一一 一 8 0 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 结构使得掘进机器人左右转向困难 。本文参考全向 轮机器人[ 6 结构设计 ， 将全方位移动机构 引入掘进 机器人行走装置， 改善掘进机器人的左右转向能力 。 掘进机器人机身传感器包括位姿检测传感器和 工况状态检测传感器。位姿检测传感器包括超声测 距传感器、 油缸行程传感器 、 绝对编码器 、 捷联惯导 系统 。工况状态检测传感器包括压力传感器 、 流量 传感器 、 温度传感器。其中， 超声测距传感器安装在 机 身 四周 ， 用于测 量 掘 进 机器 人 与巷 道 前 后左 右 的 距 离 ； 捷 联 惯导 系统安 装在 掘进 机器 人机 身 ， 用于测 量机身 x， y， z轴方 向的角速度和加速度 。 3 掘 进 机器人 虚拟 现 实远程 监控 平 台设计 基于 Qu e s t 3 D虚拟现实软件开发 的掘进机器 人虚 拟现 实远 程监 控平 台主 要包括 掘进 机器 人 三维 模型、 虚拟掘进机器人与综掘场景 、 掘进机器人动作 程序 、 数据存储与动态修正 、 人 机交互界面、 综掘场 景 漫游 ， 如 图 2 所 示 。 。 萆 。 图 2 掘进机器人虚拟现实远程监控平台 3 ． 1掘进 机 器人 三 维模 型 掘进 机器 人三 维模 型用 于在虚 拟 现实环 境 中构 建虚 拟掘 进机 器人 作 为 虚 拟 现实 环境 的控 制 对 象 ， 为展 现真 实 掘进机 器人 的位 姿状 态提 供基 础 。系统 为兼顾模型数量、 系统完整性和模型渲染速度， 对掘 进机器人 的组成进行 了简化 ， 简化后掘进机器人 的 结 构 可 完 全 真 实 反 映 井 下 掘 进 机 器 人 的 动 作 。 Qu e s t 3 D 虚 拟 现 实 软 件 可 支 持 S o l i d Wo r k s ， 3 DS MAX， MAY A 等 主 流 建 模 软 件 。 本 文 采 用 S o l i d Wo r k s 建 模软 件 ， 以真 实 的掘 进 机器 人 尺 寸建 立模型 ， 保存为． s t l 格式文件 ， 再将其 以快速焊 接的 方式导人 3 DS MA X软件 中进行渲染 、 贴 图及 坐标 轴 调 整 ， 完 成后 导 出为． X格 式文 件 。 3 ． 2 虚拟 掘进机 器人与 综掘 场景 虚拟掘进机器人与综掘场景以真实展现井下真 实综掘环境为 目的， 可提高操作人员对井下真实情 况的认知程度 。将掘进机器人与综掘场景的． X格 式 文件分 别 导 人 Qu e s t 3 D 软 件 中 。在 3 D R e n d e r 模块 的第 1 个通道下添加相机 ， 用于观察综掘工作 面。在掘进机器人摇臂和后支撑处添加灯光 ， 用 于 在掘进过程中照明。在 C h a n n e l Gr a p h模 式下将掘 进机器人各部件之间绑定父子关系 ， 以保证掘进机 器 人 的 整 体 动 作 与 各 部 件 动 作 互 不 影 响 。 在 An i ma t i o n模 式下 ， 按 照 真 实 掘 进 机器 人 的 装 配 关 系和综 掘 场景 布置 ， 对 掘 进 机 器人 各 部 件 和 场 景 模 型 的位置 姿态 进行 调 整 ， 完 成 掘 进 机器 人 与综 掘 场 景 的耦合 。 3 ． 3掘 进机 器人 动作程 序 掘进机器人动作程序是根据真实掘进机器人的 动作和控制方式 ， 使用 Qu e s t 3 D软件编写相应控制 程序 ， 使掘进机器人在虚拟操控平台的控制下完成各 项掘进 动作 ， 这是虚拟掘进机器人动作的核心。在 Q u e s t 3 D软件中， 每个部件均对应一个 3 D O b j e c t 模 块 ， 每个 3 D Ob j e c t 模块下均有 Mo t i o n模块， 该模块 可实现 部 件 的移 动、 旋 转、 缩 放 功 能。利 用 左 侧 T e mp l a t e s窗 口 中 L o g i c 下 的 I f ， T r i g g e r ， Us e r I n p u t 等逻辑命令模块完成掘进机器人控制逻辑编程 。 3 ． 4数 据存储 与 动 态修 正 数据存储与动态修正是利用 Qu e s t 3 D软件和 数据库进行传感器数据的大量存储和读取 ， 凭借传 感器数据实现掘进机器人位姿的自动调整 。虚拟操 控平 台上 的按键信息通过虚拟现实接 口存入数据库 中指 定表 格 的相应 位置 。机 载控 制器 采集 的掘 进机 器人机身工况位姿传感器数据通过通 信总线存入 Ar r a y数组中， 再存人数据库 。Qu e s t 3 D软件程序 对数据库中的位姿工况数据进行判断， 得 出掘进机 器人的预期位姿工况数据与实际掘进机器人位姿工 况数据 的差值 ， 并将该差值进行显示和存储 。系统 自动发送相应控制指令对掘进机器人的位姿进行调 整， 实现掘进机器人位姿 自动调整 。 3 ． 5人机 交互界 面 人机 交 互 界 面用 于 显 示掘 进 机 器 人工 况 参 数 、 工作状态和故障报警 ， 为远程操作人员提供数据参 考。人机交互界面如图 3所示。工况参数显示通过 显示窗 口显示截割头转数 、 耙爪转数、 截割高度等参 数值 。工作状态显示通过 Qu e s t 3 D软件 中 GUI 模 块实 现 ， 可 通 过 C h a n n e l S wi t c h来 切 换 不 同方 位 的 相机 ， 实现综掘工作面不同角度的观察 ， 还可通过界 面上的 B u t t o n显示掘进机器人摇臂等的工作状态。 故障报警是当工况参数超过警戒值时发 出报警声 ， 使掘 进机 器人 停止 作业 。 2 【 1 6年 第 1 2期 张旭辉 等 煤矿掘 进机 器人虚拟 仿 真与远 程控 制 系统 ．8 1． 拟 远 峪 、 F 人 机 交 腼 3 ． 6 综掘 场 景漫 游 综 抛 场 景_}盟游 足 场 景 『 f l 添 J J f 】 f 止 十 I J 机 ， 使 川 J 席 拟操 台 制 行 走 柑 机 ． 使 得 操 作 人 i 叮 以第 ‘ ， n观 察 综 掘 ] 作 而 情 况 。 } f 小实 小 时 ． 使 川 wa l k l h r o u g h 、 ⋯ m 实 观 综 掘 场 景漫 游 先 将 巷 道 模 的怏 键 力 ‘ 式 添 J J I I 剑 Wa l k t h r o u g h C a me r a模 块 的 C o l l i s i o n 1 j e c l 下 ， 为行走 干 I j 机指 定 撞物 体 ， 使 行走 i 机 小会穿 H { 巷道 。然 没 仃 止卡 H 机 的初 始 位 。 An i ma t i o n模 式 与 n r a Vi e w 视 角 下 ， 迎 过虚 拟操 控甲 可控 制 仃 止 卡 r i 机 左 右 行 走 ． 便 于操 f 1 人 进 巡 榆 。 ． ‘ 掘 进机 器 人控 制模 型建 立 为 r达刮 栅进机 器 人按 照 魁 没 的轨迹 } { 动 掘 进 的 I l 1 的 ， 汁了掘进 机 人控 制 流 ， 如 l 所 示 。 尚 ‘ 先 根 { i l 揸道 成 要 求 没计 截 割 r岂路 线 ， 确 4 掘 进 机 器 人控 制 流 稚 r s l C O S s i n I C O S 0 J s i n J s i n口 l C O S 2 C O S 1 s i n f j s i n 】 一 s i n 0 0 C O S L 0 0 0 截割 头 f f l 心 点 相 对 于掘 进 机 器 人机 体 坐 标 系的坐标 为 定戡 割轨迹 。然后根 据 截割点 的化 I 栅进机 器人 的化 姿 。 j i 11 过 建奇 截 割 头 控 制 皱 解 钎 模 得 Ⅱ j 掘 进 机器 人 制 I L ， 利用 得 到 的控 制 量 对 拙 { i 进 机 器 人 进 憾 剖控 。最 后 利川 f 拥 进机 器 人机 吁传感 器俭 测 掘 进 机 人运 动后 的 位 姿 信 息 ． 代刺 位 姿 解 箅 确定 哉 割 轨 迹 并 进 行 示 以 验 撼 削 轨 迹 是 否 | 确 4 ． 1 坐标 系 统 定 义 ⋯ j 综 { 『i }i 工 作 旺 【 i 采 』 } J 卡 } I 刈 ‘ 定 化 法 ， 需 曼 定 义 6个坐标 系 ， 【 { IJ 掘 进 机 器 人机 体 标 系 X y Z 、 巷 通 断 【 f I f 标 系 ， X Y ． 么 岱 逊 标系 f 、 、 。 摇 臂 l 标 系 、 撼 俐 、大 标 系 f y 、 【 I 1 l 转 台 标 系 ． Y 如 5所爪 。 l矧 ， 进 f J l 器 人 及 符 迁 ” 坐 系统 4 ． 掘进 机 器人运 动 学 分析与 建模 捌进 机 人运 动学 包括 截割 运 动 、 和机体 运 动 。敝 剂 运 动学 描 述戡 割 、大 卡 【 j 对 r 掘进 机 人 机 体 的化 姿 父 系 。 是 俄 割 断 而控 制 _ ．j 测 的依 据 。 机体 运动 捕 述掘进 机 器人机 体 牛 1 { 埘 r作业 巷道 的 位 签关 系 ， 足 掘 进 机 器 人 定 位 币 巷 道 成 型 控 制 的 依 。 4 ． 2 ． 1 撼割 运 动学 截割 运 动学 分 为撼割 头 实际化 硷解算 和 截割 大控 制j 解 。 1 他割 实 际化 姿解 足将 连 ” 的父 节变 齄转 换 剑俄 割头 的位 姿 ． 以 爪 进 机 器 人 的 俄 割 卡 f 1 对 掘进机 器 人机体 的 位 干 姿念 。 绛 锋 ． 得截 割头 杆 j 对 十机 体 标 系 X y 的 齐次 变换 对 阵 为 P d1 C O S 1 C OS 2 h】 C O S臼 1 s i n臼 1 一 d C OS l d dl s i n l C OS z h I s i n l s i n 0 d2 s i n I dl s i n d． C O S 1 2 ～ ． r n S S “ ， 1 ， ． c ． ． ． m s s． L - ∞ 一 n ● r ． 一 S， O s c 一 一 ． s D 8 2 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 式 中 d 为 X 方 向截割 头 中心 点 o 与摇 臂 中心点 O 间的距离 ； d 为 x方向摇臂中心点 o 与回转台 中心 点 Oh 间 的距 离 ； d 。 为 X 方 向 回转 台 中心 点 o 与机体中心点 间的距离 ； h 为 Z方 向截割头中 心 点 0i 与 摇臂 中心 点 o v 间的距 离 ； h z为 Z方 向 回 转台中心点 O 与机体中心点 0。 间的距离 ； 0 为 回 转台坐标系 o h x y h Z h 绕机体坐标 系 o x。 y z 。中 Z轴 的旋转角 ； 0 为摇臂 坐标 系 0v X y z 绕 回转 台坐标系 0 x y Z h 中 Z轴的旋转角。 若已知各连杆 的结构参数 d ， ， d 。 ， d 。 ， h ， h 。和 旋转角 ， ， 即可得 到截割头中心点 0 i 在机体坐 标系中的位置 。再通过机体坐标系与巷道坐标系的 转换 ， 即可求出截割头中心点在巷道坐标系的位置 。 在截割头完成断面截割后， 即可确定截割断面在巷 道 中的位 置 ， 并 进一 步确认 巷 道 中心线 的方 向 。 2 截割头控制量解算是已知截割头的 目标点 坐标 ， 求解各连杆的关节变量 ， 是掘进机器人路径规 划与截割断面成型控制 的基 础。本文采用 机器人 学【 7 伽知识 进行 求解 ， 可将 式 1 写 为 T ； 二 一 L 0 0 0 1 j x 5x 7 z y y S z O O 3 式 中 [ ， l ， ， 口 ] 为截割头的姿态矩阵， 由捷联惯导系 统 所测 的 机体位 姿 、 摇 臂 与 回转 台 的偏 转 量计 算 得 到 ； ， 7 ／ ， 为 截 割 头竖 直 移 动 方 向矢 量 ， l 在 断 面 坐标 系 中各坐标 轴 上 的分 量 ； S ， s ， S 为截 割头 水 平 移动方向矢量S 在断面坐标系中各坐标轴上的分量 ； 口 ， a ， 口 为截 割 头 接 近截 割 断 面 方 向 的矢 量 a 在 断 ； T C O S c o s 8 s i n , c o s 卢 一 s i n O 面坐 标 系 中各 坐 标 轴 上 的 分 量 ；p 为截 割 头 的位 置 矢量 ， 由所规划的巷道断面轮廓边界点经过插值计 算和截割头补偿计算得到 ； P ， P ， P 为 p在断面坐 标 系 中各坐标 轴 上 的分 量 。 令式 1 第 1行第 2列的元素与式 3 第 1行 第 2 列 的元素对应相等、 式 1 第 2行第 2列的元素 与式 3 第 2行第 2 列 的元素对应相等 ， 可得 r ct an ㈤ 【 z a r c ta n 式 4 中 ， S ， S ， ， 口 均 为 已知量 ， 因 此 可根 据 截割 头 的位姿 数据 得 出关 节 变量 ， 。 4 ． 2 ． 2 机体 运动 学 掘进机器人姿态以横滚角 a 机体绕 X 轴的旋 转角度 、 仰俯角 卢 机体绕 y 轴的旋转 角度 和偏 转角 ， 机体绕 Z 轴的旋转角度 来表示 。为了使 掘进机器人按照预先设定 的轨迹 自动掘进 ， 可通过 坐标变换矩阵计算出掘进机器人机体相对于巷道坐 标 系 的位 姿关 系 。 机体坐标系 T相对于巷道坐标系 T可表示为 。T 一 T 5 式中 T为掘进机器人机体相对测量坐标 系的齐次 变换 矩 阵 。 机身 传 感 器 安 装 在 机 体 上 的 位 置 是 已知 的 ， 则 T为已知量， 传感器测得 的掘进机器人机体相对 于测量坐标系的位置记为 ， d ， d ， 掘进机器人 机体绕测量坐标系 3 个轴的相对姿态角为 a ， ， y 。 掘进机器人机体相对测量坐标系的齐次变换矩阵为 C O S , s i n p s i n a s i n c o s a s i n , s i n i n O t C O S , c o s a C OS 8 s i n 0 将式 6 代人式 5 即可得到掘进机器人机体运 动学方程。根据掘进 机器人机身传感 器测得 的数 据 ， 结合掘进机器人运动学 ， 可得 出掘进机器人在巷 道 中的位置和姿态。 5 系统 实验 为了验证煤矿掘进机器人虚拟仿真与远程控制 系统的各项功能及各个模块 的有效性 ， 在实验室环 C O S , s i n 5 c o s O t s i n s i n a d s i n s i n p c o s a～ C O S s i n a d y C O S fl s i n a d o 1 6 境 下 ， 搭 建 了掘进 机 器 人 试 验平 台及 虚 拟 现 实 远 程 监控 平 台 ， 如 图 6 所 示 ， 进行 联合 调试并 运行 。 实验结果显示 ， 虚拟现实远程监控平 台对掘进 机器 人 的动作 控制 方 便 快 捷 ； 通 过 控 制模 型对 掘 进 机器 人进行 截 割控 制 ， 虚 拟 掘 进 机器 人 位 置 与 掘 进 机器人 在 实验 室实 际 位 置基 本 一 致 ； 虚 拟 现 实 远 程 监控平台对掘进机器人传感器数 据的接收快捷 、 处 理快 速 、 显 示 准确 。 第 4 2卷 第 1 2期 2 0 1 6 年 1 2月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo L 4 2 NO ．1 2 De c ．2 O 1 6 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 1 2 ～ 0 0 8 3 0 5 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 1 2 ． 0 1 8 杜毅博 ， 王国法， 曾庆 良． 液压支架智能焊接车间生产信息管控系统E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 1 2 8 3 8 7 ． 液压支架智能焊接车问生产信息管控系统 杜毅 博 ． u ， 王 国法 。 ， 曾庆 良 1 ． 天地科技股份有限公司 开采设计事业部 ， 北京 1 0 0 0 1 3 ； 2 ． 山东科技大学 机械电子工程学院，山东 青岛 2 6 6 5 9 0 ； 3 ． 煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 1 0 0 0 1 3 摘 要 为确保 智 能焊接 工艺适 用 于支 架结构 件 生产 ， 提 高设 备利 用 率 ， 保证 焊接 质 量 ， 充分发挥 智 能焊接 车 间优 势 ， 研 究 了基 于制 造执 行 系统 的液压 支 架智 能焊接 车 间生产 信 息 管控 系统 。建 立 了 系统 总体 模 型及 其 网络 架 构 ， 分析 了 系统 功 能需 求 ， 并 建立 了系统数据 库 模 型 ； 详 细介 绍 了智 能焊 接 车 间 生产 信 息数 据 采 集 模 块的 设计 ， 该模 块 实现 了车间现 场信 息 的全 面采集 。 实际应 用 结果表 明 ， 该 系统 实现 了企 业 决策层 和 生产 现 场 的有 效数据 沟通 ， 保证 了液压 支 架的 生产质 量和 效 率 。 关 键 词 液压 支 架；智能焊接 车 间；生产信 息 管控 ；制造执 行 系统 中图分类号 TD 3 5 5 ． 4 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 6 1 2 0 1 1 0 5 7 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 1 2 0 1 ． 1 0 5 7 ． 0 1 8 ． h t ml 收稿 日期 2 0 1 6 0 7 2 2 ； 修 回日期 2 0 1 6 1 0 3 0 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 国家 2 0 1 2智能制造装备发展专项项 目； 山东省 2 0 1 3自主创新专项项 目 2 0 1 3 C XB 4 0 2 0 3 。 作者简介 杜毅博 1 9 8 5 一 ， 男 ， 河北邯郸人 ， 助理研究员 ， 博士 ， 研究方 向为煤矿 机电信 息化 ， E - ma i l x i a o q i d y b 1 2 6 ． c o rn。 1 一虚拟现实远程监控平 台 ； z 一机 载控制器存放柜 ； 3 一掘进机器人模 型 图 6 掘进机器人虚拟仿真与远程控制 系统实 验平 台 6 结 语 针对当前煤矿采掘远程控制和智能化方面的需 求 ， 介绍 了一种煤矿 掘进机器人虚拟仿真与远程控 制 系统 。在 对 掘 进 机 器 人 和 巷 道 环 境 分 析 的 基 础 上 ， 建立了掘进 机器人虚拟控 制模型 、 运动控制模 型、 虚拟现实远程监控平 台、 虚拟操控平台， 并 对基 于 虚拟 现实技 术 的掘 进机器 人远 程监 控平 台的功 能 进行了详细介绍 。煤矿掘进机器人虚拟仿真与远程 控 制系 统能 够实 时显 示掘进 机 器人 的工作 位 姿状 态 和工作