煤礦綜采支運裝備浮動連接機構虛擬教學模型設計與實驗

王學文 李素華 謝嘉成

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

作者簡介：王學文，男，教授，博士生導師，博士，研究方向為煤機裝備設計理論與信息化技術；李素華，女，博士研究生，研究方向為煤機裝備設計理論與信息化技術；謝嘉成，男，副教授，博士，研究方向為煤機裝備設計理論與信息化技術。

基金項目：教育部產學合作協同育人項目“礦用機器人及智能裝備虛實融合創新實踐平臺建設”（221003940061013）、“基于數字孿生的煤礦井下多功能機器人系統研究”（221003940061228）；中國高等教育學會高等教育科學研究規劃重點課題“面向煤機特色機械專業虛實融合實踐教學的數字模型資源庫建設與應用”（22SZH0306）；中國學位與研究生教育研究重點課題“利用虛擬現實系統提高機械工程專業學位研究生實踐能力的模式與實踐”（2020ZDA12）；山西省高等學校教學改革創新項目“煤機裝備數字孿生實踐教學應用系統開發與教學實踐”（J20230254）

摘? ? 要：綜采支運裝備浮動連接機構是煤礦綜采裝備教學的難點和重點，虛擬教學模型是完成專業實驗與實踐教學的重要手段。文章基于機構運動分析，建立了綜采支運裝備浮動連接機構簡化模型；通過建立虛擬裝備模型和虛擬煤層底板模型，并基于虛擬接觸關系與虛擬控制模型，實現了綜采支運裝備虛擬浮動連接和虛擬協同推進；以此為基礎，設計了綜采支運裝備虛擬調直教學實驗系統，描述了實驗過程。虛擬教學模型可以有效支持教師對專業實驗的設計，加強學生對專業實驗的深度理解。

關鍵詞：虛擬教學模型；實踐教學；專業實驗；綜采裝備

中圖分類號：G644? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1002-4107（2024）02-0054-03

一、引言

煤機裝備及其應用場所（煤礦）實驗環境差、實驗安全性難以保障，而煤機裝備虛擬教學模型可以在遠離危險生產環境下，順利完成虛擬認知[1]、虛擬操作[2]、虛擬實驗[3-4]等環節，為煤機特色機械工程專業學生完成實踐與實驗教學提供安全保障。文章針對煤礦綜采裝備教學中的難點和重點內容——綜采支運裝備浮動連接機構，進行虛擬教學模型設計，并通過具體實踐教學，有效支持教師對專業實驗的設計，提高實驗效率，改善實驗環境，提升實踐教學效果。

二、綜采支運裝備浮動連接機構

在綜采工作面中，液壓支架主要負責對煤層頂板進行支護，將采空區與開采區進行隔離，確保開采環境安

全，同時負責采煤機與刮板輸送機的推進。刮板輸送機是綜采工作面的運輸設備，主要負責煤炭物料的運輸，同時是采煤機的行走軌道與液壓支架進行移架時的支點。文章將液壓支架和刮板輸送機簡稱為“綜采支運裝備”。

液壓支架推移機構是將綜采支運裝備進行連接的浮動機構，簡稱為“浮動連接機構”，其主要組成部分包括推移油缸、活塞桿、推移桿、連接頭。其運動包括活塞桿的伸長、推移桿的俯仰運動和偏航運動、連接頭的偏航運動等，如圖1所示。

三、機構運動分析

（一）機構簡化模型

在機器人運動學中，用位移量、橫滾角、俯仰角、偏轉角，以及角度間的組合來描述機器人的運動姿態[5]。如圖2所示，選取推移油缸為基座，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，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具有偏航運動與俯仰運動的旋轉關節，推移油缸與活塞桿簡化為機器人的棱柱關節。

（二）機構運動解析

將獲得的運動規律賦予虛擬液壓支架，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；通過刮板輸送機上標記的關鍵點位置確定推溜點與移架點；根據推移桿和連接頭是否與液壓支架底座、刮板輸送機推移耳座相干涉確定最優解。確定推溜點和移架點的位置后，使浮動連接機構按一定行程推移，虛擬環境下浮動連接機構的姿態運動與實際環境下保持一致，即表明選擇的運動規律合理。

四、建立虛擬模型

（一）支運裝備模型

在UG軟件中進行等比例建模、運動關系裝配及相關的參數配置后，將其以STL格式導出后導入3DMax，再次進行格式轉換及模型比例的設置，得到可導入Unity3D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，對煤層底板進行建模[7]。將若干數據點導入UG軟件，此時數據點在UG坐標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，將煤層底板數據點云通過參數化對數據進行擬合；基于章節（一）模型轉換思路，完成虛擬煤層底板模型構建。

五、虛擬浮動連接

（一）建立虛擬物理關系

Unity3D中的物理引擎組件可實現虛擬模型的物理關系約束建立[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，在刮板輸送機鏟煤板邊緣安裝Capsule Collider組件，由此建立了支運裝備與煤層底板間的虛擬接觸模型。

（二）實現虛擬連接

1.設置浮動連接機構等價機械手模型關鍵點

如圖5所示，在推移機構推移油缸與活塞桿交接處以“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，末端執行器捕捉 “移架點”處的關鍵點；液壓支架推移刮板輸送機時，末端執行器捕捉“推溜點”處的關鍵點。

2.建立支運裝備父子關系

液壓支架移架時會帶動整個支架的運動，液壓支架推移時會使刮板輸送機的位姿發生變化。為了實現以上過程，按照圖6所示，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。

六、虛擬協同推進

（一）刮板輸送機彎曲

采煤機在初始階段時處于機頭或者機尾位置，在該位置一定距離內的刮板輸送機處于彎曲狀態。根據采煤機運行軌跡，將其軌跡反演至刮板輸送機上，根據軌跡的彎曲情況確定各節中部槽的彎曲角度，通過預定義的腳本形式表示，通過函數命令控制各節中部槽的轉動，實現刮板輸送機虛擬環境下“S”形彎曲姿態。

（二）液壓支架推移

在每臺液壓支架上安裝相應控制腳本作為虛擬模型的驅動部分，通過函數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，基于浮動連接機構的運動規律，實現液壓支架推移過程。移架后狀態如圖7所示。

（三）虛實結合協同推進

選取液壓支架底座和刮板輸送機為對象，在物理引擎的作用下，支運裝備自適應鋪設在虛擬煤層底板上；基于浮動連接機構的運動規律，液壓支架推移機構在腳本控制下自動捕捉相應中部槽上的關鍵點，將刮板輸送機推移成既定姿態，液壓支架隨后移架，實現虛擬支運裝備協同推進。

圖8為支運裝備浮動連接實體教學模型，該教學模型在保留液壓支架推移框架結構的前提下進行實際裝備結構的簡化，保留實際支運裝備推溜、移架功能，面向學生對比介紹實體教學模型與實際裝備間的關系及使用原理，有利于培養學生對專業裝備的認知能力。

同時，在虛擬環境下建立實際支運裝備的虛擬模型，通過虛實結合方式協同推進，可針對活塞桿伸長量、推移桿偏航角、推移桿俯仰角、連接頭偏航角4個參數進行對比分析。

七、虛擬調直教學實驗

（一）虛擬調直實驗總體方案

如圖9所示，初始狀態時，液壓支架與刮板輸送機均進行對中處理，液壓支架推移機構在靜止狀態下與刮板輸送機推移耳座在一條直線上，液壓支架推移刮板輸送機，此時刮板輸送機彎曲成既定姿態；實時獲得浮動連接機構目標位置與推移油缸體的相對位置差后，液壓支架群移架；液壓支架以前一刀刮板輸送機預測的軌跡為依據，推移刮板輸送機；推移完畢后，液壓支架移架，此時液壓支架群直線度不滿足要求；調整液壓支架的位置，使綜采支運裝備具有較好的直線度。

（二）虛擬調直教學系統及功能

設計“煤層+支運裝備”的聯合虛擬調直教學系統的操作界面如圖10所示。點擊“開始”按鈕，液壓支架推移刮板輸送機；點擊“移架”按鈕，液壓支架群移架；點擊“調直”按鈕，液壓支架以前一刀刮板輸送機預測的軌跡為依據進行推溜；再次點擊“移架”按鈕，液壓支架移架，此時液壓支架群不滿足直線度要求；點擊“調整支架”按鈕，通過對液壓支架的位置進行調整實現對液壓支架群的直線度調整；點擊“刮板輸送機數據”按鈕，可以將刮板輸送機各中部槽的位置以XML文件格式實時輸出；點擊“底板起伏+”按鈕，觸發一次可實現底板凸起20 mm；點擊“底板起伏-”按鈕，觸發一次可實現底板下陷20 mm。

八、結束語

文章先分析了綜采支運裝備浮動連接機構空間運動模型，對其運動規律進行了解析，為虛擬教學模型設計提供了依據；其次，建立了虛擬支運裝備模型和虛擬煤層底板模型，通過建立虛擬物理關系，構建了虛擬接觸模型；再其次，通過設置浮動連接機構等價機械手模型關鍵點、建立液壓支架與刮板輸送機父子關系，以及構建浮動連接機構的虛擬控制模型，完成了綜采支運裝備虛擬浮動連接，并實現了綜采支運裝備虛擬教學模型協同推進；最后，設計了綜采支運裝備虛擬調直教學實驗系統，完成了“綜采支運裝備+煤層底板”聯合虛擬調直教學實驗過程設計。總之，虛擬教學模型可以展示連續性動作，可以重復觀看和操作。通過虛擬教學模型，學生可以直觀地觀察裝備結構、工作狀態及成套裝備的相互配合，加深對專業實驗的深度理解。

參考文獻：

[1]? 張遠翼，張鷹，劉淑虎，等.虛擬環境下的中國古建筑

大木構件認知實驗研究[J].實驗技術與管理，2022，

39（3）：80-84.

[2]? 姚紅偉，張建琪，溫鎮，等.基于模擬狀態信息的虛擬

操作場景重構及微電網自適應控制設計[J].電機與

控制應用，2022，49（10）：77-85.

[3]? 茹婷婷，金石.“虛擬實驗微課程”在“物理化學實驗”

教學中的應用研究：以“蔗糖水解反應動力學”實驗

為例[J].黑龍江教育（理論與實踐），2022，76（2）：

76-77.

[4]? 卓莉，萬里.基于Unity3D的液塑限含水率虛擬實驗

設計與實現[J].實驗科學與技術，2022，20（5）：29-34.

[5]? JAZRA R N. Theory of applied robotics： kinematics，

dynamics， and control[M]. Berlin： Springer Publishing

Company，2010：124-155.

[6]? LI J L， LIU Y， XIE J C， et al. Cutting path planning

technology of shearer based on virtual reality[J]. App-

lied sciences，2020（10）：771.

[7]? 謝嘉成，王學文，楊兆建，等.綜采工作面煤層裝備聯

合虛擬仿真技術構想與實踐[J].煤炭科學技術，

2019，47（5）：162-168.

[8]? INDRAPRASTHA A， SHINOZAKI M. The investi-

gation on using Unity3D game engine in urban design

study[J]. ITB journal of information and communica-

tion，2009，3（1）：1-18.

■ 編輯∕丁俊玲