张旭辉教授：数字孪生驱动的悬臂式掘进机虚拟示教记忆截割方法研究

近年来，数字孪生（Digital Twin, DT）技术在煤矿智能化建设过程中已引起了广泛关注。数字孪生是物理对象的数字化模型，该模型接收来自物理对象的数据，并与来自物理对象的数据交互而实时演化，进而与物理对象在全生命周期保持一致。基于数字孪生可进行分析、仿真、预测等，并将仿真结果反馈给物理实体，帮助对物理对象进行优化、决策，其中连接与交互是实现数字孪生动态运行和虚拟空间高效融合人的核心关键。煤矿智能化生产中融合数字孪生、虚拟现实等技术，应对煤矿掘进工作面智能化改造与建设中的复杂要求，正迅速推动着掘进装备智能化技术的发展。

王苏彧通过分析掘进工作面人工截割与自动截割所面临的问题，提出了一种新的控制手段—记忆截割，并从理论与控制层面对其进行了阐述，但只适用于巷道围岩稳定的情况下。张超等针对目前掘进机远程截割控制中存在视频和二维平面监控不直观以及断面成形质量依赖人工操作经验的问题，对数字孪生驱动的掘进机自动截割控制技术进行了研究。张旭辉等对井下掘进工作面掘进效率低、掘进设备决策能力不高等问题，提出了一种数字孪生驱动的掘进机器人虚拟操控与决策控制方法。吴淼等对目前掘进工作面“串行工艺”流程中，存在的制约煤矿安全、高效生产的问题，构建了数字孪生驱动的综掘巷道并行工艺技术系统，对实现掘进机器人障碍物感知、自主纠偏以及自动截割等智能化革新技术进行了阐述。杨健健等通过对实现煤矿掘进工作面智能化的关键技术进行分析，搭建了智能化快速掘进技术体系。

以上研究表明，当前基于数字孪生技术的掘进设备自动截割研究已有一定进展，提升了掘进效率、断面成形质量，但对于地质条件较为复杂的煤矿，其适应性、灵活性及应用效果尚待提高。本课题组前期提出“示教+再现”轨迹规划新模式，破解实际生产中掘进机轨迹规划难题，针对纵轴掘进机、横轴掘进机两种形式进行研究，特别是悬臂式纵轴掘进机轨迹涉及机身运动轨迹、截割臂运动轨迹的规划，还要考虑截割头形状和位姿，加之煤矿现场可能还有特殊截割工艺要求，技术层面实现的难度非常大。

通过掘进机司机“示教”一个截割断面施工过程，记忆示教过程的机身移动轨迹、截割臂运动轨迹相关位姿数据；自动截割时通过回放记忆的数据“再现”操作工作巷道成形截割过程，以基于机身和截割臂位姿数据构建的轨迹伺服跟踪模型保证自动化截割的过程控制。该方法目前已经通过实验室测试，在井下初步进行了验证。但是，该方法中“示教”依靠在掘进工作面司机的人为控制，很难保证轨迹的优化和合理性，借助前期数字孪生驱动的虚拟边界碰撞检测、异常预警和人工示教轨迹规划等研究基础，研究虚拟空间智能交互的示教方式，实现完成掘进机记忆截割轨迹规划，此方法可以结合理论规划、井下人工示教和虚拟示教的优势，对促进智能截割技术发展具有重要意义。

首先，充分利用数字孪生和虚拟现实技术的特性，研究复杂工况环境下的虚拟示教策略，基于Unity3D平台建立对应实体等尺寸的工作面及设备虚拟孪生模型、截割部运动学模型和虚拟碰撞检测模型，在虚拟端通过智能交互界面控制虚拟模型运动，结合工人经验设计示教轨迹并优化，使其作为轨迹跟踪的目标期望轨迹，弥补传统井下人工示教由于恶劣工况环境导致的过度依赖工人经验等问题。

其次，为提高断面成形质量，研究记忆自动截割阶段示教轨迹跟踪再现控制方法，利用拉格朗日法建立截割部动力学模型，采用迭代学习与滑模控制相结合的方法提高末端执行器对示教轨迹的跟踪控制精度。

最后，搭建悬臂式掘进机记忆截割仿真控制平台，通过虚拟空间与物理空间以及各模块之间的实时数据传输与交互，在虚拟空间中完成记忆截割虚拟示教与轨迹跟踪控制过程的三维可视化仿真，进而生成记忆自动截割轨迹跟踪控制指令并发送至悬臂式掘进机物理实体的末端执行器，驱动其按照示教轨迹进行断面成形截割，同时物理传感器采集悬臂式掘进机机身及截割臂位姿数据，反向驱动虚拟模型同步动作，实现对机器人虚拟模型和物理实体的闭环控制。