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欠约束临时支护机器人几何静力耦合模型及运动控制研究

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煤炭科学技术 2025年

作者：刘鹏朱延马宏伟曹现刚张旭辉段学超周昊晨乔心州夏晶陕西省矿山机电装备智能监测重点实验西安科技大学西安电子科技大学“电子装备结构设计”教育部重点实验室

护盾式智能掘进机器人系统有效的解决了煤矿开采中“采掘失衡、采快掘慢”难题。临时支护机器人作为该系统的重要组成部分，尽管在提升作业效率上发挥了重要作用，但由于结构限制，仅能实现竖直方向的升降运动，难以有效应对复杂巷道的... 详细信息

护盾式智能掘进机器人系统有效的解决了煤矿开采中“采掘失衡、采快掘慢”难题。临时支护机器人作为该系统的重要组成部分，尽管在提升作业效率上发挥了重要作用，但由于结构限制，仅能实现竖直方向的升降运动，难以有效应对复杂巷道的临时支护作业。为解决临时支护机器人运动受限难题，设计了一种欠约束临时支护机器人，并提出了一种基于RBF神经网络分块逼近的终端滑模控制方法，以实现欠约束临时支护机器人的高精度运动控制。首先，利用修正的G-K公式对该机器人的自由度进行了分析，针对欠约束临时支护机器人正运动学难以求解问题，建立了几何静力耦合模型，提出了一种改进的蜣螂优化算法，对正/逆几何静力问题进行求解，并对几何静力问题进行了仿真；其次，设计了一种基于RBF神经网络分块逼近的终端滑模控制器。针对末端支护平台参数矩阵的不确定，使用多组RBF神经网络对其逼近，根据自适应律在线调整权值，实现了动力学模型的重构，并设计鲁棒项消除模型重构误差和外部扰动。为缓解控制器存在的抖振问题，设计了模糊系统自适应逼近切换增益来代替鲁棒项，并利用Lyapunov准则证明了控制系统的稳定性。最后，以平面圆轨迹为例进行仿真。结果表明：改进的蜣螂优化算法对正/逆运动学单点验证精度均小于10-20，连续运动学求解结果良好。使用RBF神经网络分块逼近的终端滑模控制方法对预定轨迹的位置跟踪误差为0 ～ 0.011m，姿态跟踪误差为0 ～ 0.0031°，与RBF神经网络整体逼近和PD控制相比最大跟踪误差分别减少了99.0%、90.7%，均方根误差分别减少了98.3%、96.5%。证明了基于RBF神经网络分块逼近的终端滑模控制方法能进一步提高欠约束临时支护机器人的运动控制精度，在受到外界干扰的情况下具有更强的鲁棒性。

关键词：欠约束并联机器人临时支护运动控制优化算法神经网络模糊系统

考虑地质强度指标的悬臂式掘进机自适应截割控制方法研究

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煤炭学报 2025年

作者：董征张旭辉杨文娟雷孟宇张超万继成西安科技大学机械工程学院陕西省矿山机电装备智能检测重点实验室

煤矿巷道掘进智能化发展缓慢，“采掘失衡”严重制约了煤矿高效生产，如何提高掘进效率是现阶段面临的重要问题。悬臂式掘进机作为巷道掘进作业的重要设备之一，在截割硬岩或复杂地质煤层具有优势。传统的悬臂式掘进机记忆截割方法在面... 详细信息

煤矿巷道掘进智能化发展缓慢，“采掘失衡”严重制约了煤矿高效生产，如何提高掘进效率是现阶段面临的重要问题。悬臂式掘进机作为巷道掘进作业的重要设备之一，在截割硬岩或复杂地质煤层具有优势。传统的悬臂式掘进机记忆截割方法在面临复杂地质变化条件下的巷道断面具有不足之处，无法满足自适应截割的要求。为此，本研究提出了一种考虑地质强度指标（GSI，Geological Strength Index）的悬臂式掘进机自适应截割控制方法，通过结合地质特征指导悬臂式掘进机的截割作业，从而提高掘进效率和智能化水平。首先，通过机器视觉对掘进巷道断面进行拍照，使用连通域提取、骨架链接等方法对裂隙进行检测，识别裂隙的几何参数，包括数量、长度、宽度和密度，以裂隙的几何参数作为输入，以地质强度指标作为输出，建立神经网络模型，预测掘进巷道断面的地质特征。其次，建立地质强度指标栅格地图，使用改进蚁群优化算法在栅格地图上进行截割轨迹规划，通过改进信息素初始浓度和信息素挥发策略来对目标函数进行优化，以时间最优、能耗最优、地质匹配最优为目标，得到最优截割轨迹。建立截割头转动速度和截割臂摆动速度档位控制模型，对经过当前栅格的截割速度进行控制，使其匹配当前栅格的地质强度指标，提高掘进效率。最后，在有限元软件中对截割模型在不同地质强度指标下的作业进行了受力分析，并在实验室搭建了悬臂式掘进机控制平台，在截割轨迹规划和截割速度控制方法上与其他优化算法进行了性能对比，实验结果表明，本研究预测的地质强度指标准确率为95.5%，截割完整巷道断面消耗的时间降低6%，能耗降低19%。本研究相比于其他方法，能够减少截割能耗、提高截割效率。本方法为智能掘进与悬臂式掘进机的自适应截割提供了新思路。

关键词：智能掘进悬臂式掘进机巷道断面裂隙截割轨迹地质强度指标(GSI)

基于3D点云的矿井提升钢丝绳振动位移在线测量方法

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煤炭科学技术 2025年

作者：毛清华徐文兵赵文王超张旭辉西安科技大学机械工程学院陕西省矿山机电装备智能检测与控制重点实验室陕西能源赵石畔矿业运营有限责任公司

针对矿井提升钢丝绳空间振动位移在线精确测量难题，本文提出一种基于3D点云的矿井提升钢丝绳振动位移在线测量方法。针对钢丝绳点云分割中存在背景干扰和离群点问题，采用随机采样一致性算法(RANSAC)和基于密度的聚类算法(DBSCAN)相结... 详细信息

针对矿井提升钢丝绳空间振动位移在线精确测量难题，本文提出一种基于3D点云的矿井提升钢丝绳振动位移在线测量方法。针对钢丝绳点云分割中存在背景干扰和离群点问题，采用随机采样一致性算法(RANSAC)和基于密度的聚类算法(DBSCAN)相结合的钢丝绳点云分割方法，实现钢丝绳点云与背景的有效分离。针对传统体素栅格法在点云下采样过程中出现的几何特征丢失问题，提出一种自适应体素栅格算法，首先利用粒子群优化(PSO)确定最优初始体素大小，然后根据钢丝绳点云的局部密度动态调整体素尺寸，实现高效的钢丝绳点云精简。针对钢丝绳振动位移计算问题，提出一种基于分段最小二乘拟合的动态测量方法，该方法通过最小二乘法对各段点云进行直线拟合并引入误差权重计算中心点坐标，利用相对坐标法计算动态中心点与静态参考点之间的位移，实现钢丝绳空间振动位移的精确测量。为验证所提方法的有效性，分别在实验室和矿井提升环境下进行实验。实验结果表明，结合RANSAC和DBSCAN的点云分割方法能有效地从复杂背景中提取出钢丝绳点云，精确率和召回率分别在93.9%和94.3%以上；与传统体素栅格算法相比，自适应体素栅格算法精简后的钢丝绳点云更加平滑连续，在精简率为94.5%时，最大误差和平均误差分别降低68.7%和74.7%。在实验室环境下，本文提出的振动位移测量方法在X和Z两个方向上测量的平均绝对误差均小于0.62mm，最大误差在1.2mm以内；在实际的矿井提升环境中，X和Z方向上的平均绝对误差均小于0.87mm，最大误差在2.5mm以内，完成一次位移测量耗时20ms，能够满足矿井提升钢丝绳振动位移测量的准确性和实时性要求。

关键词：矿井提升钢丝绳振动位移测量 3D点云点云分割点云下采样

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轴-径向混合磁轴承动态特性及控制研究

西南交通大学学报 2022年第3期57卷 640-647,656页

作者：肖玲赵晨曦窦经纬程文杰郑善栋西安科技大学陕西省矿山机电装备智能监测重点实验室陕西西安710054

为了减小三自由度轴-径向混合磁轴承(ARHMB)的涡流损耗并增加轴向磁力,提出轴向采用软磁复合材料(SMCs)制备的推力轴承,在推力盘与转子的气隙处引入Halbach阵列以增强轴向气隙磁密,径向采用叠片结构.首先,基于动态磁通分布及等效磁路法... 详细信息

为了减小三自由度轴-径向混合磁轴承(ARHMB)的涡流损耗并增加轴向磁力,提出轴向采用软磁复合材料(SMCs)制备的推力轴承,在推力盘与转子的气隙处引入Halbach阵列以增强轴向气隙磁密,径向采用叠片结构.首先,基于动态磁通分布及等效磁路法,建立综合考虑涡流、漏磁及交叉耦合效应的等效磁阻模型;其次,对比分析了材料类型及交叉耦合效应对等效磁阻频率响应、动态刚度的影响;最后,采用计及涡流、漏磁及交叉耦合效应不完全微分PID控制对ARHMB进行研究.研究结果表明:SMCs制备的ARHMB相比碳钢材料可以提供更大、更稳定的磁力以及更大的工作带宽,在高频条件下具有更好的动态特性;考虑交叉耦合效应时,SMCs制备的ARHMB动态特性在高频时变化率较大,不可忽略;对于低带宽工作的碳钢轴承,交叉耦合效应不明显;电磁轴承系统响应速度很快、超调量小、稳态误差近似为0,具有良好的控制特性.

关键词：磁轴承磁路漏磁交叉耦合效应动态特性不完全微分PID控制

基于改进RANSAC特征提取的掘进装备视觉定位方法研究

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仪器仪表学报 2022年第12期43卷 168-177页

作者：张旭辉杨红强白琳娜张超杨文娟西安科技大学机械工程学院西安710054 陕西省矿山机电装备智能监测重点实验室西安710054

为解决煤矿井下低照度、高粉尘、多杂光环境中掘进装备位姿测量不易的问题,提出了一种基于改进随机抽样一致性(RANSAC)特征提取的掘进装备视觉定位方法。首先,对矿用防爆相机采集的三激光标靶图像进行预处理,分别建立形状模型与线框模型... 详细信息

为解决煤矿井下低照度、高粉尘、多杂光环境中掘进装备位姿测量不易的问题,提出了一种基于改进随机抽样一致性(RANSAC)特征提取的掘进装备视觉定位方法。首先,对矿用防爆相机采集的三激光标靶图像进行预处理,分别建立形状模型与线框模型;其次,根据形状模型以坐标极值为椭圆模型初始点,将前后两次内点差值比值作为最优迭代次数,迭代求取椭圆模型最优参数获得点特征;然后,根据线框模型以像素坐标模为直线模型初始点,利用自适应条件阈值、抽样次数获得线特征;最后,将点线特征作为三点三线位姿解算模型输入,通过空间坐标变换求得掘进装备位姿信息。实验结果表明,在掘进装备距三激光标靶80 m范围内,所述视觉定位方法的相对误差为±45 mm,可基本满足煤矿井下掘进装备定位需求,为煤矿井下恶劣环境中掘进装备的位姿测量提供一种新的思路。

关键词：点线特征形状模型线框模型改进RANSAC 视觉定位

线形-拱形组合梁式三稳态压电俘能器动力学特性研究

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力学学报 2021年第11期53卷 2996-3006页

作者：张旭辉陈路阳陈孝玉徐冬梅朱福林郭岩西安科技大学机械工程学院西安710054 陕西省矿山机电装备智能监测重点实验室西安710054

利用振动能量俘获技术将设备工况振动能转化为电能,为实现煤矿井下无线监测节点自供电提供了新的思路.通过引入非线性磁力设计了一种线形-拱形组合梁式三稳态压电俘能器,分析了磁铁水平间距、垂直间距和激励加速度对动力学特性的影响规... 详细信息

利用振动能量俘获技术将设备工况振动能转化为电能,为实现煤矿井下无线监测节点自供电提供了新的思路.通过引入非线性磁力设计了一种线形-拱形组合梁式三稳态压电俘能器,分析了磁铁水平间距、垂直间距和激励加速度对动力学特性的影响规律.利用磁偶极子法建立磁力模型,通过实验测量线形-拱形组合梁的恢复力,并采用多项式拟合得到恢复力模型,基于欧拉-伯努利梁理论和拉格朗日方程建立系统的动力学模型,从时域角度仿真分析了磁铁水平间距、垂直间距和激励加速度对系统动力学特性的影响规律.研制线形-拱形组合梁式三稳态压电俘能器样机并搭建实验平台进行实验研究,通过采集组合梁末端响应速度数据,验证了理论分析的正确性.研究表明:引入非线性磁场能够使系统势能呈现单势阱、双势阱或三势阱,激励一定时,调整磁铁水平间距和垂直间距能够使系统实现单稳态、双稳态或三稳态运动,且在三稳态运动时响应位移较大,增大激励水平有利于系统越过势垒实现大幅响应.研究为线形-拱形组合梁式三稳态压电俘能器的设计提供了理论指导.

关键词：三稳态压电俘能器线形-拱形组合梁非线性磁力动力学建模数值仿真

基于KPCA-LSTM的旋转机械剩余使用寿命预测

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振动与冲击 2023年第24期42卷 81-91页

作者：曹现刚叶煜赵友军段雍杨鑫西安科技大学机械工程学院西安710054 陕西省矿山机电装备智能监测重点实验室西安710054

旋转机械的剩余使用寿命(remaining useful life, RUL)预测对工业设备预测和健康管理的具有重要意义。该文针对多传感器冗余数据导致旋转机械退化信息提取困难、剩余使用寿命预测效果差的问题,提出了一种基于核主成分分析-长短期记忆网... 详细信息

旋转机械的剩余使用寿命(remaining useful life, RUL)预测对工业设备预测和健康管理的具有重要意义。该文针对多传感器冗余数据导致旋转机械退化信息提取困难、剩余使用寿命预测效果差的问题,提出了一种基于核主成分分析-长短期记忆网络(kernel principal component analysis-long short term memory, KPCA-LSTM)的方法对旋转机械剩余使用寿命预测。首先,分析旋转机械的多维退化数据,选择可以表征旋转机械退化的数据;其次,对退化数据进行(kernel principal component analysis, KPCA)融合及特征提取,将降维融合的特征作为预测模型的输入;然后构建旋转机械的健康指标,并通过多阶微分划分旋转机械的不同健康状态,建立KPCA-LSTM模型对旋转机械的剩余使用寿命进行预测;最后,在实验室搭建的矿用减速器平台上进行了试验验证。试验结果表明:该文所提方法与LSTM、粒子群优化LSTM的方法比较,该方法预测效果优于其他两种模型,并降低模型训练的复杂性,减少预测用时。

关键词：旋转机械核主成分分析(KPCA) 贝叶斯参数优化长短期记忆网络(LSTM) 剩余使用寿命(RUL)预测

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快速谱峭度结合阶次分析滚动轴承故障诊断

振动．测试与诊断 2021年第6期41卷 1090-1095,1235页

作者：张旭辉张超樊红卫毛清华杨一晴西安科技大学机械工程学院西安710054 陕西省矿山机电装备智能监测重点实验室西安710054

针对变速齿轮箱振动信号非平稳、强干扰及信号调制等特征,导致滚动轴承故障难以精确诊断,提出了融合快速谱峭度的滚动轴承故障包络阶次谱诊断方法。采用快速谱峭度自适应确定滤波参数,对时域信号进行带通滤波和包络以提高信噪比,将包络... 详细信息

针对变速齿轮箱振动信号非平稳、强干扰及信号调制等特征,导致滚动轴承故障难以精确诊断,提出了融合快速谱峭度的滚动轴承故障包络阶次谱诊断方法。采用快速谱峭度自适应确定滤波参数,对时域信号进行带通滤波和包络以提高信噪比,将包络后时域非平稳信号重采样后转换为角域伪平稳信号,消除"频率模糊",对角域包络信号频谱分析得到阶次包络谱,根据阶次特征对比实现滚动轴承故障诊断,完成了从600~1 500 r/min升速过程中齿轮箱滚动轴承外圈故障的模拟与信号分析实验。结果表明,所提出的方法故障特征阶次最大误差为1.84%,能够有效提取变速工况下滚动轴承故障特征并判定其类型。

关键词：变转速滚动轴承故障诊断快速谱峭度阶次分析

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矿用压电俘能器建模与俘能特性研究

力学学报 2023年第10期55卷 2239-2251页

作者：张晓宇张旭辉西安科技大学机械工程学院西安710054 陕西省矿山机电装备智能监测重点实验室西安710054

采煤机的无线监测节点存在供电难问题,采用压电俘能器将振动能转化为电能可为其供电,研究俘能特性具有重要科学意义.采用实验与数据拟合方法建立恢复力模型,磁化电流法建立磁力模型,拉格朗日函数建立动力学模型,RecurDyn提取滚筒、摇臂... 详细信息

采煤机的无线监测节点存在供电难问题,采用压电俘能器将振动能转化为电能可为其供电,研究俘能特性具有重要科学意义.采用实验与数据拟合方法建立恢复力模型,磁化电流法建立磁力模型,拉格朗日函数建立动力学模型,RecurDyn提取滚筒、摇臂的截割方向加速度,龙格库塔法求解动力学模型,分析在不同磁距的俘能特性,并开展实验研究.结果表明:受到前滚筒、后滚筒、前摇臂和后摇臂的截割方向加速度,在俘能特性较好的磁距时,电压依次减小且均随煤层硬度的增大而增大,截割f4煤层时,磁距分别为12 mm,16 mm,12 mm和12 mm的俘能特性较好,电压有效值分别为5.107 V,4.224 V,0.998 V和0.882 V,截割f6煤层时,磁距均为16 mm的俘能特性较好,电压有效值分别为7.298 V,6.747 V,1.592 V和1.397 V,加入磁力可以加大电压.实验研究发现,受到截割f4和f6煤层的前滚筒截割方向加速度,在俘能特性较好的磁距时,电压随煤层硬度的增大而增大,磁距分别为12 mm和16 mm的俘能特性较好,电压有效值分别为3.340 V和4.959 V,加入磁力可以加大电压,验证了理论分析结果具有正确性.研究为提高电压提供理论基础,为无线监测节点自供电提供思路.

关键词：压电俘能器建模俘能特性采煤机采掘激励

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