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随着工业“4.0”、中国制造“2025”等概念的提出与推进,实现煤矿智能化、无人化成为煤炭行业发展与生产的新方向。刮板输送机作为采煤机的行走轨道和运煤机械,如果刮板输送机满足不了直线度要求,会导致运行阻力与采煤机的截割阻力增大,进一步导致煤机装备损坏,带来重大事故,因此需要对刮板输送机的直线度进行控制。
目前的研究是在忽略一些影响刮板输送机直线度重要因素下进行的:
(1)销耳间隙依旧是影响直线度的主要因素。销耳间隙的存在会使液压支架电液控系统进行定量推移时,刮板输送机中部槽的相对位置变化并没有满足要求,因而在对刮板输送机调直时,销耳间隙会影响刮板输送机的直线度。
(2)在研究直线度时没有考虑到直线度检测时传感器的误差影响。由于传感器本身存在一定的误差,这使得采煤机反演得到的轨迹与实际轨迹存在一定的偏差,以反演得到的刮板输送机轨迹为依据进行调直时,刮板输送机的直线度往往达不到要求。
(3)没有考虑到煤层底板的起伏对刮板输送机直线度的影响。对刮板输送机进行轨迹修正时,由于煤层底板的起伏会使刮板输送机的姿态和液压支架的姿态与目标姿态存在差异,会使液压支架在推移刮板输送机时,刮板输送机的中部槽达不到既定的位姿要求,进而使刮板输送机的直线度达不到要求。
针对以上问题,可以在虚拟环境下建立刮板输送机调直研究的虚拟场景,摆脱井下进行相关调直试验困难的困扰,实现刮板输送机调直过程的可视化。Unity3D作为一种支持多维度的虚拟仿真引擎,实现各种复杂工况的动态可视化,可以作为求解器对复杂问题进行求解同时也可以将数据实时输出。目前,已有相关学者利用Unity3D进行了煤矿井下相关工作的仿真研究,并得到了真实可靠的仿真研究结果,这说明利用Unity3D创建的虚拟空间对刮板输送机进行调直研究是可行的。
为此，太原理工大学王学文教授在《煤炭学报》2021年第2期“新锐科学家”特刊撰文“机器人运动学与时序预测融合驱动的刮板输送机调直方法”，为方便大家深入了解本文内容，《煤炭学报》邀请王学文教授通过视频对相关成果进行了详解。
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视频讲解
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创新点
（1）考虑到了刮板输送机检测时的传感器噪声影响及截割底板起伏对刮板输送机直线度的影响，建立了基于LSTM网络的刮板输送机预测轨迹模型。
（2）将销耳间隙对刮板输送机直线度的影响进行了理想化处理。基于获得的浮动连接机构运动规律，液压支架推移时自动捕捉在虚拟刮板输送机推移耳座上标记的推溜与移架时的关键点，较理想地抵消了销耳间隙产生的影响。
（3）建立轨迹坐标向刮板输送机中部槽弯曲角度转换的模型，实现了预测轨迹向Unity3D中刮板输送机运动轨迹的转换。
（4）综合以上3点，将浮动连接机构的运动规律同LSTM神经网络预测相结合，对刮板输送机进行调直研究。对刮板输送机的当前轨迹和目标调直轨迹进行预测，将预测数据点导入Unity3D进行相应的转换后，在虚拟环境下获得了移架后的液压支架和刮板输送机的相对位置关系，基于浮动连接机构的运动规律，通过刮板输送机的轨迹控制液压支架精准推移刮板输送机，最终实现了刮板输送机的调直。
作者简介
王学文，男，1979年4月生，工学博士，力学博士后，太原理工大学教授，博士生导师，国家公派留学回国人员。山西省“三晋英才”，山西省高等学校优秀青年学术带头人，山西省“131”领军人才优秀中青年拔尖创新人才，太原理工大学青年学术带头人，《煤炭学报》科学编辑。主持（完成）国家自然科学基金项目2项，省部级项目10余项。获山西省科技进步二等奖3项，全国煤炭教育教学成果一等奖1项等。中国机械工程学会高级会员，山西省振动工程学会常务理事，中国煤炭学会矿山机电一体化专委会理事等。
研究方向
煤机装备设计理论与信息化技术
主要成果
主要研究领域包括煤与装备的力学耦合关系、煤机装备虚拟现实技术、“互联网+”煤机装备CAD/CAE等。在以上领域发表学术论文80余篇，授权（申请）国家发明专利10余项，出版学术著作3部（其中1部获国家科学技术学术著作出版基金），授权登记软件著作权40余项；团队开发完成的大型采掘运装备数字化设计系统获山西省科技进步二等奖，在实际应用中取得明显效益，为提高煤机装备设计效率和设计水平提供了有力保障。
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摘 要
随着智能化开采的不断发展,刮板输送机直线度控制对于煤矿安全、高效开采具有重要意义。针对刮板输送机的调直精度不高的问题,提出了一种基于空间运动学与长短时记忆神经网络轨迹预测相融合的调直方法。
首先,利用工业机器人的空间运动学知识对液压支架和刮板输送机浮动连接机构的运动规律进行了解析,并以C#语言的形式编入Unity3D仿真系统底层,通过推移机构连接头捕捉刮板输送机中部槽上的关键点,实现液压支架与刮板输送机的连接,实现了液压支架的精准推移,较理想化地解决了销耳间隙的影响。
其次,综合考虑到传感器噪声与截割底板轨迹对刮板输送机轨迹检测的影响,在仿真系统中进行相关的补偿后,在MATLAB 中利用LSTM( Long Short Time Memory)神经网络对刮板输送机的轨迹进行预测。
最后,根据实际工况要求建立了目标调直轨迹的修正模型和轨迹-姿态转换模型,以得到的刮板输送机轨迹为基础,确定及时移架后的液压支架位置与对应中部槽的相对位置差,基于浮动连接机构运动规律液压支架精准推移,实现刮板输送机调直。
通过虚拟试验的验证,建立的修正模型和转换模型具有较强的可靠性,在仿真系统与实验室条件下分别在底板存在起伏时进行了调直试验,提出的调直方法的直线度误差分别在±0.2cm和0.08cm内,符合调直精度要求,研究结果对刮板输送机的调直研究提供了思路。
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部分图片
整体框架
刮板输送机直线度定义示意
销耳间隙描述
调直示意
机械手转换模型
D-H坐标系统
LSTM网络的内部结构
LSTM神经单元的处理模型
基于LSTM的刮板输送机轨迹预测模型
预测结果对比
刮板输送机的坐标系
虚拟煤层底板模型
物理关系配置
刮板输送机当前轨迹预测
刮板输送机目标调直轨迹预测
预测Z坐标时的收敛曲线
修正流程
中部槽弯曲角度示意
刮板输送机Z坐标的修正结果
刮板输送机三维轨迹曲线
刮板输送机的Z坐标曲线
转换模型的验证结果
验算模型
试验装置
地形设置思路
试验结果
王学文教授相关成果
1.王学文,李素华,谢嘉成,等. 机器人运动学与时序预测融合驱动的刮板输送机调直方法[J].煤炭学报,2021,46(2):652-666.
2.王学文,谢嘉成,郝尚清,等.智能化综采工作面实时虚拟监测方法与关键技术[J].煤炭学报,2020,45(6):1984-1996.
3.王学文,杨兆建,丁华,等.煤矿装备云制造资源服务平台研究与应用[J].煤炭学报,2013,38(10):1888-1893.
来源：
王学文,李素华,谢嘉成,等. 机器人运动学与时序预测融合驱动的刮板输送机调直方法[J]. 煤炭学报,2021,46(2):652-666.
WANG Xuewen,LI Suhua,XIE Jiacheng,et al. Straightening method of scraper conveyor driven by robot kinematics and time series prediction[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(2):652-666.
责任编辑：郭晓炜
编辑整理：郭晓炜
审核：常 琛
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