機(jī)械裝備虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)及實(shí)例分析 課件 第7章 多機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真關(guān)鍵技術(shù)

第七章多機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真關(guān)鍵技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造目錄CONTENTS7.1概述7.2復(fù)雜運(yùn)動(dòng)連接關(guān)系的機(jī)理解析與虛擬應(yīng)用7.2.1裝備運(yùn)動(dòng)機(jī)理的獲取7.2.2運(yùn)動(dòng)機(jī)理的虛擬應(yīng)用第7章多機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真關(guān)鍵技術(shù)7.1概述戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-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(dòng)連接機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與綜采支運(yùn)裝備的相對(duì)位置息息相關(guān)，同時(shí)，反向研究的話，綜采支運(yùn)裝備間的位置關(guān)系也受到浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的影響，對(duì)其空間運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相關(guān)研究分析是對(duì)綜采支運(yùn)裝備協(xié)同運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究的關(guān)鍵之一。因此，本節(jié)以綜采支運(yùn)裝備的關(guān)鍵連接結(jié)構(gòu)—浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行多機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真關(guān)鍵技術(shù)研究。液壓支架與中部槽連接圖第7章多機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真關(guān)鍵技術(shù)7.2復(fù)雜運(yùn)動(dòng)連接關(guān)系的機(jī)理解析與虛擬應(yīng)用戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造1更準(zhǔn)確地了解設(shè)備的工作原理和運(yùn)動(dòng)特性，從而找出潛在的性能瓶頸和改進(jìn)空間有助于優(yōu)化生產(chǎn)流程，通過(guò)對(duì)設(shè)備運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的異常情況可以預(yù)測(cè)設(shè)備可能出現(xiàn)的故障類型和原因，并提前采取相應(yīng)的預(yù)防措施對(duì)裝備運(yùn)動(dòng)機(jī)理的深入分析裝備運(yùn)動(dòng)機(jī)理的獲取運(yùn)動(dòng)規(guī)律擬合法空間運(yùn)動(dòng)學(xué)第7章多機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真關(guān)鍵技術(shù)7.2.1裝備運(yùn)動(dòng)機(jī)理的獲取戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造1運(yùn)動(dòng)規(guī)律擬合法

運(yùn)動(dòng)規(guī)律擬合法是一種通過(guò)數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行擬合和描述的技術(shù)。它基于觀測(cè)到的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，通過(guò)選擇合適的數(shù)學(xué)模型和參數(shù)，來(lái)逼近和模擬物體的真實(shí)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。插入數(shù)據(jù)選擇圖表形式擬合過(guò)程擬合參數(shù)設(shè)置第7章多機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真關(guān)鍵技術(shù)7.2.1裝備運(yùn)動(dòng)機(jī)理的獲取戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造1空間運(yùn)動(dòng)學(xué)正向運(yùn)動(dòng)學(xué)是用來(lái)描述裝備在空間中的位置和姿態(tài)的，它為運(yùn)動(dòng)控制提供了基礎(chǔ)逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)是對(duì)已知裝備末端的位置和姿態(tài)，求解中間各結(jié)構(gòu)的位姿空間運(yùn)動(dòng)學(xué)方法

空間運(yùn)動(dòng)學(xué)是對(duì)裝備在空間中的位置和姿態(tài)進(jìn)行描述，分為正向運(yùn)動(dòng)學(xué)與逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)兩部分本節(jié)以連接液壓支架與刮板輸送機(jī)的推移機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理解析為例進(jìn)行說(shuō)明。第7章多機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真關(guān)鍵技術(shù)7.2.1裝備運(yùn)動(dòng)機(jī)理的獲取戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造1空間運(yùn)動(dòng)學(xué)

模型轉(zhuǎn)換

選取液壓油缸為基座，將連接頭的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為末端執(zhí)行器繞著手腕處的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將連接頭簡(jiǎn)化為末端執(zhí)行器、連接頭與推移桿連接的銷軸簡(jiǎn)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(jiǎn)化為機(jī)器人的具有偏航運(yùn)動(dòng)與俯仰運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，液壓油缸與活塞桿簡(jiǎn)化為機(jī)器人的棱柱關(guān)節(jié)第7章多機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真關(guān)鍵技術(shù)7.2.1裝備運(yùn)動(dòng)機(jī)理的獲取戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造1空間運(yùn)動(dòng)學(xué)

D-H坐標(biāo)系統(tǒng)的建立D-H坐標(biāo)系統(tǒng)

若關(guān)節(jié)是做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的：z軸位于按右手旋轉(zhuǎn)的方向；若關(guān)節(jié)是做平移運(yùn)動(dòng)的：z軸為沿直線運(yùn)動(dòng)方向，按照以上原則確定所有旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和棱柱關(guān)節(jié)的z軸；當(dāng)關(guān)節(jié)不平行或相交時(shí)，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(biāo)系的x軸，按照此方法確定所有旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和棱柱關(guān)節(jié)的x軸根據(jù)確定的機(jī)械手模型各關(guān)節(jié)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系第7章多機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真關(guān)鍵技術(shù)7.2.1裝備運(yùn)動(dòng)機(jī)理的獲取戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造1空間運(yùn)動(dòng)學(xué)

建立D-H參數(shù)表

根據(jù)建立的矩陣坐標(biāo)系統(tǒng)，可以確定機(jī)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(jù)建立的D-H矩陣坐標(biāo)系確定D-H參數(shù)表，建立D-H參數(shù)表如表7-1所示。各關(guān)節(jié)變量的含義如表7-2所示。第7章多機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真關(guān)鍵技術(shù)7.2.1裝備運(yùn)動(dòng)機(jī)理的獲取戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造1空間運(yùn)動(dòng)學(xué)

通過(guò)逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)求解方程

通過(guò)下式建立活塞桿的伸長(zhǎng)量、推移桿繞連接銷軸的偏轉(zhuǎn)角、俯仰角，連接頭的偏轉(zhuǎn)角與中部槽位姿間的關(guān)系。得到機(jī)械手模型的所有變換矩陣：第7章多機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真關(guān)鍵技術(shù)7.2.1裝備運(yùn)動(dòng)機(jī)理的獲取戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造1空間運(yùn)動(dòng)學(xué)

通過(guò)逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)求解方程根據(jù)，建立機(jī)械手模型的正向運(yùn)動(dòng)矩陣為：當(dāng)末端位置矢量為(x0,y0,z0)時(shí)，正向運(yùn)動(dòng)矩陣可簡(jiǎn)化為:

在中部槽位姿已知時(shí)，通過(guò)以下公式可對(duì)推移機(jī)構(gòu)各結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行求解。由以上公式得到浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)等價(jià)機(jī)械手模型各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，根據(jù)關(guān)節(jié)路徑最短的原則確定最優(yōu)解。第7章多機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真關(guān)鍵技術(shù)7.2.2運(yùn)動(dòng)機(jī)理的虛擬應(yīng)用戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造1

在獲得裝備運(yùn)動(dòng)機(jī)理后，為了實(shí)現(xiàn)裝備自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)仿真，在解析得到運(yùn)動(dòng)規(guī)律后，需要通過(guò)C#語(yǔ)言將所得公式轉(zhuǎn)換為可以控制模型動(dòng)作的語(yǔ)句。本節(jié)以推移機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的虛擬應(yīng)用為例進(jìn)行介紹。關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置結(jié)構(gòu)層次關(guān)系的設(shè)置虛擬控制模型的建立第7章多機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真關(guān)鍵技術(shù)7.2.2運(yùn)動(dòng)機(jī)理的虛擬應(yīng)用戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造1

關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置關(guān)鍵點(diǎn)位置

在推移機(jī)構(gòu)液壓油缸與活塞桿交接處標(biāo)記一個(gè)點(diǎn)“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(guò)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)，機(jī)械手模型的末端執(zhí)行器捕捉刮板輸送機(jī)推移耳座處的“移架點(diǎn)”處的關(guān)鍵點(diǎn)；液壓支架推溜時(shí)，機(jī)械手模型的末端執(zhí)行器捕捉“推溜點(diǎn)”處的關(guān)鍵點(diǎn)。第7章多機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真關(guān)鍵技術(shù)7.2.2運(yùn)動(dòng)機(jī)理的虛擬應(yīng)用戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造1

結(jié)構(gòu)層次關(guān)系的設(shè)置父子關(guān)系圖

液壓支架移架時(shí)會(huì)帶動(dòng)整個(gè)支架的運(yùn)動(dòng)，液壓支架推溜時(shí)會(huì)將刮板輸送機(jī)推移一定的步距，使刮板輸送機(jī)的位姿發(fā)生變化。為了實(shí)現(xiàn)以上過(guò)程，需要按照如圖所示內(nèi)容在虛擬環(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)行配置第7章多機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真關(guān)鍵技術(shù)7.2.2運(yùn)動(dòng)機(jī)理的虛擬應(yīng)用戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造1

虛擬控制模型的建立根據(jù)獲得的浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，將關(guān)節(jié)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(duì)不同條件確立的最優(yōu)解轉(zhuǎn)化為C#語(yǔ)言，通過(guò)Position、ZhuanJiao2、ZhuanJiao3、ZhuanJiao4控制虛擬浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)相關(guān)結(jié)構(gòu)的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)液壓支架的精準(zhǔn)推移。通過(guò)以下腳本獲得刮板輸送機(jī)中部槽上推溜點(diǎn)“BiaoJi1”的x坐標(biāo)，其余坐標(biāo)也相同的方式獲得。GameObject.Find("GBJ").GetComponent<GBJControl>().BiaoJi1.transform.position.x；將獲得的運(yùn)動(dòng)規(guī)律通過(guò)C#語(yǔ)言的形式編入系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)的各虛擬關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的語(yǔ)言轉(zhuǎn)換，以轉(zhuǎn)角1為例進(jìn)行說(shuō)明。ZhuanJiao1=Mathf.Atan(dx1/dy1);第七章多機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真關(guān)鍵技術(shù)7.3.1虛擬傳感器的建立戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造11.虛擬紅外測(cè)距傳感器的建立

激光測(cè)距傳感器中的發(fā)射器按照一定角度向外發(fā)射激光光束，光束遇到障礙物反射回來(lái)被檢測(cè)器檢測(cè)到，經(jīng)過(guò)時(shí)差計(jì)算可以獲得傳感器與障礙物之間的距離信息。

根據(jù)紅外測(cè)距傳感器默認(rèn)的測(cè)量刻度值為0.25cm的這一特點(diǎn)，基于實(shí)際傳感器讀數(shù)原理，設(shè)計(jì)了紅外測(cè)距傳感器數(shù)字孿生體讀數(shù)的規(guī)則，如圖所示。第七章多機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真關(guān)鍵技術(shù)7.3.1虛擬傳感器的建立戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造22.虛擬傾角傳感器的建立

在虛擬場(chǎng)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(tài)角。根據(jù)這一特點(diǎn)，可以通過(guò)訪問(wèn)虛擬液壓支架相關(guān)構(gòu)件的Transform.rotation屬性結(jié)合虛擬支架構(gòu)件的初始角度，從而得到液壓支架主體相關(guān)構(gòu)件的角度，這樣便可以實(shí)現(xiàn)虛擬傳感器的角度測(cè)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(cè)量獲得的傾角的數(shù)值。第七章多機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真關(guān)鍵技術(shù)7.3.2裝備間虛擬約束關(guān)系構(gòu)建戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-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(jī)各中部槽、液壓支架上安裝若干BoxCollider物理組件，最終可實(shí)現(xiàn)煤機(jī)裝備在虛擬煤層底板上的自適應(yīng)鋪設(shè)。

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(shí)現(xiàn)彎曲時(shí)刮板輸送機(jī)中部槽受到相鄰兩中部槽的約束力；根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)要求，刮板輸送機(jī)相鄰兩中部槽的最大彎曲角度為4°，分別將LowTwistLimit與HighTwistLimit設(shè)置為-4與4，最終實(shí)現(xiàn)裝備間虛擬約束關(guān)系的構(gòu)建。第七章多機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真關(guān)鍵技術(shù)7.4運(yùn)動(dòng)虛擬仿真環(huán)境設(shè)置戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造4

在刮板輸送機(jī)由靜至動(dòng)滑移的過(guò)程中，加上采煤機(jī)在行走過(guò)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(shù)存在一個(gè)轉(zhuǎn)換。為了準(zhǔn)確描述此摩擦過(guò)程，采用Stribeck摩擦模型確定中部槽與煤層底板間的摩擦系數(shù)。

根據(jù)裝備在推進(jìn)中的運(yùn)動(dòng)與力學(xué)特性，得到虛擬裝備的力學(xué)特性進(jìn)行設(shè)置方案如下表所示。參數(shù)參數(shù)改變方式作用摩擦因數(shù)通過(guò)PhysicalMaterial組件，對(duì)煤層底板與裝備之間的摩擦關(guān)系進(jìn)行設(shè)置。改變虛擬仿真系統(tǒng)中虛擬煤層底板與煤機(jī)裝備之間的摩擦因數(shù)。使摩擦力對(duì)推進(jìn)中裝備運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。裝備重力利用Rigidbody類對(duì)各裝備的質(zhì)量值進(jìn)行修改。保證裝備運(yùn)動(dòng)過(guò)程的力學(xué)屬性。運(yùn)行阻力利用AngularDrag和Drag單元進(jìn)行中部槽阻力設(shè)置AngularDrag單元產(chǎn)生阻礙物體旋轉(zhuǎn)的力；Drag單元的方向與物體的運(yùn)動(dòng)方向相反，用來(lái)阻礙物體的運(yùn)動(dòng)。第七章多機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真關(guān)鍵技術(shù)7.4運(yùn)動(dòng)虛擬仿真環(huán)境設(shè)置戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造5

為了實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境與物理環(huán)境下的煤機(jī)裝備映射關(guān)系的建立，需要在虛擬環(huán)境下對(duì)煤機(jī)裝備進(jìn)行參數(shù)化配置。虛擬環(huán)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(shè)置AngularDrag的值為3.94N；得到虛擬環(huán)境下，刮板輸送機(jī)的總運(yùn)行阻力即Drag值為19.334N，摩擦因數(shù)為0.35，Unity3d與實(shí)際空間中的換算比例為100:1，其他參數(shù)配置結(jié)果如下表所示。名稱型號(hào)研究對(duì)象理論值實(shí)際值(Unity3d)液壓支架ZY11000/18/38D底座約為7700Kg約為77Kg刮板輸送機(jī)SGZ800/1050中部槽153Kg1.53Kg采煤機(jī)MG400/920-WD采煤機(jī)52000Kg520Kg中部槽間距—相鄰兩中部槽0.216cm第七章多機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真關(guān)鍵技術(shù)7.5.1綜采支運(yùn)裝備協(xié)同運(yùn)動(dòng)仿真戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造61.推移點(diǎn)位置確定

將獲得的運(yùn)動(dòng)規(guī)律賦給虛擬液壓支架，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，由于虛擬刮板輸送機(jī)的姿態(tài)是隨著虛擬綜采工作面的推進(jìn)不斷變化的，因而關(guān)鍵點(diǎn)的位置在虛擬環(huán)境下也是實(shí)時(shí)變化的，通過(guò)改變刮板輸送機(jī)上關(guān)鍵點(diǎn)的位置來(lái)確定推溜點(diǎn)與拉架點(diǎn)。

在刮板輸送機(jī)推移耳座上標(biāo)記推溜與移架的關(guān)鍵點(diǎn)作為推移機(jī)構(gòu)等價(jià)機(jī)械手模型末端執(zhí)行器的捕捉位置，在虛擬環(huán)境下得到推移機(jī)構(gòu)各結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)變量的具體值，液壓支架按得到的各運(yùn)動(dòng)變量值精準(zhǔn)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(jī)運(yùn)動(dòng)仿真關(guān)鍵技術(shù)7.5.1綜采支運(yùn)裝備協(xié)同運(yùn)動(dòng)仿真戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造72.刮板輸送機(jī)運(yùn)動(dòng)虛擬轉(zhuǎn)換

在獲得了刮板輸送機(jī)位置坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，需要轉(zhuǎn)換為Unity3D環(huán)境下可驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)推進(jìn)的信息，本文選取的驅(qū)動(dòng)因子為相鄰兩中部槽間的相對(duì)偏轉(zhuǎn)角度，因而需要建立位置坐標(biāo)與偏轉(zhuǎn)角間的轉(zhuǎn)換機(jī)制。Rodrigues參數(shù)是計(jì)算三維空間中，一個(gè)向量繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)給定角度以后得到的新向量的計(jì)算公式。

基于Rodrigues參數(shù)的中部槽虛擬位姿轉(zhuǎn)換第七章多機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真關(guān)鍵技術(shù)7.5.1綜采支運(yùn)裝備協(xié)同運(yùn)動(dòng)仿真戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造8

第七章多機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真關(guān)鍵技術(shù)7.5.1綜采支運(yùn)裝備協(xié)同運(yùn)動(dòng)仿真戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)