CN111075489B - 一种液压支架与刮板输送机浮动连接机构姿态描述方法 - Google Patents

一种液压支架与刮板输送机浮动连接机构姿态描述方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液压支架与刮板输送机浮动连接机构姿态描述方法，通过将液压支架与刮板输送机的浮动连接机构简化为机械手模型，基于工业机器人逆向运动学的解析方法确定浮动连接机构的各运动参数关系式；根据逐级渐进筛选法，选择最优解，确定浮动连接机构各结构的运动规律；将运动规律编入仿真系统底层，可得到虚拟液压支架在虚拟底板上推移虚拟刮板输送机时，虚拟浮动连接机构精确的运动。通过本发明，能够实现液压支架对刮板输送机较精准推移，减小累积误差。

Description

一种液压支架与刮板输送机浮动连接机构姿态描述方法
技术领域
本发明涉及机械仿真领域，具体为一种液压支架与刮板输送机浮动连接机构姿态描述方法。
背景技术
为了减少煤矿事故率、提高开采效益和开采竞争力，精准开采、透明开采成为了当前煤矿行业追求的目标。由于液压支架与刮板输送机的浮动连接机构的运动不是简单的直线运动而是空间运动，致使在液压支架推溜时，刮板输送机的推移距离与理想推移距离存在误差，因而需要对液压支架与刮板输送机的浮动连接机构的运动进行解析，实现对刮板输送机的精准推移是实现综采工作面智能化、无人化的重要基础之一。
在液压支架移刮板输送机时，将液压支架与刮板输送机连接起来的推移机构具有四个自由度，包括活塞杆沿着推移油缸的平移运动，推移杆绕着连接推移杆与活塞杆之间销轴的俯仰旋转和偏航旋转，以及连接头绕着所连接销轴的偏航旋转，使得推移机构的运动为空间运动而不是简单的平面运动，因而推移机构又称为液压支架与刮板输送机的浮动连接机构。
现有技术中，申请号为CN201910306404.6公开了一种刮板输送机在井下复杂地况的推溜过程模拟实验装置，所述实验装置中推移机构是连接刮板输送机和液压支架底座的关键部分通过该推移机构可以模拟推溜工作对刮板输送机进行推溜。但是为获得推移机构各结构的推移角度、刮板输送机的推移距离以及它们连接处的位移时需要安装轴编码器，倾角传感器，红外测距传感器，相机等电子元件和电子仪器。
申请号为CN201811509303.0公开了一种综采面液压支架推移推杆位姿感知装置、综采面液压支架推移推杆机构及方法，感知装置包括综采工作面，该综采工作面包括若干个液压支架底座，每个液压支架底座的推移推杆均与一个刮板输送机中部槽连接；每个推移推杆的左、右两侧分别设有用于实时感知所述推移推杆位姿的左侧位姿感应单元和右侧位姿感应单元，中央信号处理单元根据左侧位姿感应单元所反馈的位移和根据右侧位姿感应单元所反馈的位移来感知推移推杆的偏移程度，并通过执行机构进行调整。
上述方法中，在获得推移机构各结构的推移角度、推移距离方面。由于需要安装许多传感器、相机等电子元器件，在井下狭窄、昏暗、嘈杂、以及电磁干扰无线信号等情况的存在下，加上液压支架数目比较多，采用电子元器件获得推移机构的各结构的偏转角度、推移距离具有一定的难度且未考虑到在真实情况下推移机构的运动不是简单的直线运动而是空间运动的情况。
发明内容
本发明要解决的具体技术问题是在液压支架推移刮板输送机时，由于液压支架与刮板输送机浮动连接机构的空间运动产生的推移距离的误差，在综采工作面“三机”推进过程中易产生累积误差，满足不了精准推移的要求，因而需要确定液压支架与刮板输送机浮动连接机构的各结构的运动规律，可以实现液压支架对刮板输送机较精准推移，减小累积误差。
本发明提供的技术方案为一种液压支架与刮板输送机浮动连接机构姿态描述方法，包括：
将液压支架与刮板输送机的浮动连接机构简化为机械手模型，在已知刮板输送机中部槽姿态的前提下，以液压支架推移油缸前端面中心为初始坐标系，在刮板输送机推移耳处标记关键点作为最终坐标系；
基于工业机器人逆向运动学的解析方法确定浮动连接机构的各运动参数关系式； 其中，所述运动参数是指关节角
Figure DEST_PATH_IMAGE001
、关节距离
Figure 900187DEST_PATH_IMAGE002
、连杆长度
Figure DEST_PATH_IMAGE003
、连杆扭转角
Figure 627972DEST_PATH_IMAGE004
；
基于逆向运动学的多解性，根据得到运动规律对机械手模型运动的实现度，根据逐级渐进筛选法，选择最优解，确定浮动连接机构各结构的运动规律；
在虚拟环境下，将获得的运动规律编入Unity3D仿真系统底层，可得到虚拟液压支架在虚拟底板上推移虚拟刮板输送机时，虚拟浮动连接机构精确的运动。
其中，所述液压支架与刮板输送机浮动连接机构为由液压油缸、活塞杆、推移杆、连接头组成，具有四个自由度；其中，活塞杆在推移过程中沿轴线方向发生伸缩运动，推杆绕连接销轴的轴线方向发生俯仰运动，同时与连接销轴产生偏航角，连接头绕销轴轴线方向产生偏航角，用于连接液压支架与刮板输送机。
其中，液压支架与刮板输送机浮动连接机构简化得到的机械手模型为具有四自由度的串联机械手模型，其中连接头简化为末端执行器、连接头与推移杆连接的销轴简化为具有偏航运动的旋转关节、活塞杆与推移杆之间的连接销轴简化为机器人的具有偏航运动与俯仰运动的旋转关节，液压油缸与活塞杆简化为机器人的棱柱关节。
其中，基于工业机器人逆向运动学的解析方法包括步骤：
根据建立的机械手模型在各关节分别建立D-H矩阵坐标系，确定D-H矩阵坐标系 统；其中，确定机械手模型的连杆是P||R(
Figure DEST_PATH_IMAGE005
)，R⊥R(
Figure 116722DEST_PATH_IMAGE006
)，R⊥R(
Figure 588155DEST_PATH_IMAGE006
)，R||R(
Figure 111540DEST_PATH_IMAGE005
)，R⊥P(
Figure 525072DEST_PATH_IMAGE006
)，根据建立的D-H矩阵坐标系确定D-H参数表，根据相邻两坐标系的变换矩阵：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，
确定此机械手模型的所有变换矩阵：
Figure 235539DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
,
Figure 510663DEST_PATH_IMAGE010
,
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，
根据
Figure 622976DEST_PATH_IMAGE012
，建立机械手模型的正向运动矩阵为：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
对于未知的关节变量
Figure 692563DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure DEST_PATH_IMAGE015
、
Figure 155905DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，通过下列方程求解：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
Figure DEST_PATH_IMAGE021
Figure DEST_PATH_IMAGE023
Figure DEST_PATH_IMAGE025
Figure DEST_PATH_IMAGE027
由于采用逆向运动学方法，存在多解的问题，需要根据逐级渐进筛选法选择最优解；
其中，所述D-H矩阵坐标系是指给每个关节指定的本地参考系，其必须指定一个z轴和x轴；所述z轴指的是：如果关节是旋转的，z轴位于按右手旋转的方向；如果关节是滑动的，z轴为沿直线运动方向；所述x轴指的是：当关节不平行或相交时，z轴通常是斜线，总有一条距离最短的公垂线正交于任意两斜线，在此公垂线任意两方向上定义本地坐标系的x轴。
其中，运动参数关节角
Figure 920205DEST_PATH_IMAGE001
指的是旋转关节按照右手旋转的方向绕所在轴线转动的 角度；运动参数关节距离
Figure 152604DEST_PATH_IMAGE002
指的是在沿着z轴方向两条相邻公垂线之间的距离；运动参数连 杆长度
Figure 658671DEST_PATH_IMAGE003
指的是每条公垂线的长度；运动参数连杆扭转角
Figure 609310DEST_PATH_IMAGE028
指的是两个相邻z轴之间的角 度；机械手模型运动的实现度是指机械手模型在此运动规律下的运动符合其规定运动所到 达的范围的程度。
其中，所述逐级渐进筛选法的步骤包括：
在获得末端执行器相对于基座的相对位置坐标（
Figure DEST_PATH_IMAGE029
）、推移杆长度
Figure 226236DEST_PATH_IMAGE030
、连接 头长度
Figure DEST_PATH_IMAGE031
的基础上，得到的运动规律为
Figure 313141DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure 990110DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 411732DEST_PATH_IMAGE031
的函数且包含三角函数及反三 角函数；
由于（
Figure 832350DEST_PATH_IMAGE029
）会随着液压支架推移刮板输送机的运动而发生变化，将所得的 运动规律分别通过C#语言编入虚拟仿真软件Unity3D底层，虚拟系统运行时，若出现NAN即 非数值情况时，此时程序无法运行，将此类运动规律排除，得到使浮动连接机构跟随刮板输 送机运动的解；
改变刮板输送机推移耳中关键点的位置，根据连接头是否捕捉关键点，从得到的解中筛选可以很好捕捉关键位置的解，
根据在推移过程中推移杆不得与底座发生干涉、连接头不得与推移耳发生干涉的原则，从得到的可以很好捕捉关键位置的解中，选择最优解。
其中，所述虚拟液压支架是指与实际液压支架相等价的虚拟模型，能够通过识别采煤机与刮板输送机的运行信息进行推溜、收互帮、降柱、移架、升柱等动作；
所述虚拟底板是指在Unity3D虚拟环境下生成的高低不平的与真实底板相等价的虚拟底板；
所述虚拟刮板输送机是指与实际刮板输送机相等价的虚拟模型，自适应铺设在虚拟底板上；
所述虚拟浮动连接机构是指与实际液压支架与刮板输送机浮动连接机构相等价的虚拟浮动连接机构。
本发明的一种液压支架与刮板输送机浮动连接机构姿态描述方法，其优点和突出创新点如下：
1.本方法可以在忽略众多影响测量因素的前提下，在虚拟环境下直观地观察推移机构的姿态，以及液压支架与刮板输送机的位姿。
2.本方法只需改变刮板输送机上关键点的位置，可准确地表示出当刮板输送机推移耳处受力点不同时，浮动连接机构各自由度的运动情况。
3.本方法可以将浮动连接机构各运动参数具体数值以xml文件的形式实时输出，可快速输出数据点，并能通过各计算软件对数据进行处理。
4.本方法在获得了浮动连接机构各运动参数的前提下，可针对井下由于环境复杂、安全问题、各种干扰问题造成的进行与推移相关的实验难度大、获取取推移机构姿态数据困难等不便问题，在虚拟环境下进行相关试验、获取数据。
附图说明
图1 为本方法与系统的组成部分与实现方法。
图2为当刮板输送机姿态变化时液压支架浮动连接机构的姿态俯视图。
图3为推溜时液压支架浮动连接机构连接刮板输送机中部槽示意图。
图4为基于逆向运动学的液压支架浮动连接机构简化后对应的机械手模型。
图5为液压支架浮动连接机构示意图
图中：1：液压油缸；2：活塞杆；3：连接销轴；4：推移杆；5：销轴；6：连接头。
图6为基于逆向运动学的液压支架浮动连接机构的D-H矩阵坐标系统。
图7为机械手模型的D-H矩阵参数表。
图8为虚拟仿真系统的虚拟操作面板。
图9为虚拟底板在虚拟环境下的位置曲线。
图10为当刮板输送机处于理想“S形”弯曲状态下液压支架液压油缸的推溜量。
图11为当刮板输送机处于理想“S形”弯曲状态下液压支架推移杆的偏航角的变化。
图12为当刮板输送机处于理想“S形”弯曲状态下液压支架推移杆的俯仰角的变化。
图13为当刮板输送机处于理想“S形”弯曲状态下液压支架连接头角度的变化。
图14为在虚拟煤层上，刮板输送机姿态为“理想S形弯曲”时，推移机构的姿态（无俯仰角）。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
附图1为本发明的主要内容和流程。包括步骤：
将液压支架与刮板输送机的浮动连接机构简化为机械手模型，在已知刮板输送机中部槽姿态的前提下，以液压支架推移油缸前端面中心为初始坐标系，在刮板输送机推移耳处标记关键点作为最终坐标系；
基于工业机器人逆向运动学的解析方法确定浮动连接机构的各运动参数关系式； 其中，所述运动参数是指关节角
Figure 39340DEST_PATH_IMAGE001
、关节距离
Figure 621631DEST_PATH_IMAGE002
、连杆长度
Figure 281282DEST_PATH_IMAGE003
、连杆扭转角
Figure 505590DEST_PATH_IMAGE004
；
基于逆向运动学的多解性，根据得到运动规律对机械手模型运动的实现度，根据逐级渐进筛选法，选择最优解，确定浮动连接机构各结构的运动规律；
在虚拟环境下，将获得的运动规律编入Unity3D仿真系统底层，可得到虚拟液压支架在虚拟底板上推移虚拟刮板输送机时，虚拟浮动连接机构精确的运动。
如附图2和附图3所示，由于液压支架与刮板输送机之间的协同主要体现在推溜与移架方面，因此用底座代替液压支架进行研究。在液压支架推移刮板输送机时，在推移过程中液压支架与刮板输送机的浮动连接机构中的活塞杆会沿着方向发生伸缩运动，推杆会绕着连接销轴的轴线方向发生俯仰运动，由于连接销轴与推移杆之间存在一定间隙，因而推移杆也会绕着连接销轴产生偏航角，连接头会绕着销轴5轴线方向产生偏航角。将液压支架与刮板输送机的浮动连接机构简化为如附图4所示的机械手模型。根据活塞杆相对于液压油缸发生相对移动，将液压油缸与活塞杆简化为棱柱关节；根据推杆绕着连接销轴的旋转运动，将连接销轴简化为具有偏航运动和俯仰运动的旋转关节；将连接头绕着销轴的旋转运动，将该销轴转化为具有偏航运动的旋转关节；将连接头简化为末端执行器。
如附图3所示，在推移耳2处标记关键点作为末端执行器的最终位置，如附图5所示，在将位置a作为机械手臂的基座，运用工业机器人逆向运动学对如附图4所示的机械手模型进行解析。
根据机械手模型，通过右手定则，建立D-H矩阵坐标系，如附图6所示，根据所建立 的坐标系建立连杆坐标系的D-H参数表，如附图7所示。其中
Figure DEST_PATH_IMAGE033
为关节角指的是
Figure 301508DEST_PATH_IMAGE034
轴绕着
Figure DEST_PATH_IMAGE035
轴所转动的角度，
Figure 320280DEST_PATH_IMAGE036
为关节距离是指沿着
Figure DEST_PATH_IMAGE037
轴时
Figure 467227DEST_PATH_IMAGE034
轴与
Figure 714800DEST_PATH_IMAGE035
轴之间的距离，
Figure 896383DEST_PATH_IMAGE038
为连杆 长度是指沿着
Figure 86056DEST_PATH_IMAGE035
轴的
Figure 720299DEST_PATH_IMAGE037
轴与
Figure DEST_PATH_IMAGE039
轴之间的距离,
Figure 20831DEST_PATH_IMAGE040
为连杆扭转角是指
Figure 56920DEST_PATH_IMAGE037
轴绕着
Figure 417494DEST_PATH_IMAGE039
轴所 转动的角度。
首先如附图6所示，机械手模型的连杆是P||R(
Figure 804613DEST_PATH_IMAGE005
)，R⊥R(
Figure 643256DEST_PATH_IMAGE006
)，R⊥R(
Figure 533852DEST_PATH_IMAGE006
)，R||R (
Figure 330906DEST_PATH_IMAGE005
)，R⊥P(
Figure 674163DEST_PATH_IMAGE006
)，相邻两坐标系间的变换矩阵为
Figure 847655DEST_PATH_IMAGE042
因而，得到如下变换矩阵
Figure 842025DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure DEST_PATH_IMAGE043
，
Figure 278823DEST_PATH_IMAGE046
,
Figure DEST_PATH_IMAGE047
,
Figure 109375DEST_PATH_IMAGE048
因而，附图4所示机械手模型的正向运动矩阵为
Figure 555400DEST_PATH_IMAGE050
Figure 420588DEST_PATH_IMAGE013
对于未知的关节变量
Figure DEST_PATH_IMAGE051
、
Figure 293866DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure DEST_PATH_IMAGE053
、
Figure 611715DEST_PATH_IMAGE054
，可通过下列方程求解：
Figure 595851DEST_PATH_IMAGE019
Figure 581125DEST_PATH_IMAGE021
Figure DEST_PATH_IMAGE055
Figure 119247DEST_PATH_IMAGE025
Figure 189971DEST_PATH_IMAGE056
由于采用逆向运动学方法，存在多解的问题，根据逐级渐进筛选法选择最优解，因此得到了浮动连接机构的运动规律。
为了验证解析结果的正确性，由于井下环境复杂、光线昏暗、以及一系列不安全因素的存在，不方便进行测量验证，由于虚拟环境下可直观地观察和测量数据，因此选择在虚拟环境下进行验证，可将获得的浮动连接机构运动规律通过C#脚本编入虚拟环境下进行验证，具体过程如下：
首先在Unity3D虚拟环境下，通过对虚拟综采工作面“三机”、虚拟煤层上加以物理引擎，改变物理引擎的参数模拟真实物理环境下的物理作用，以达到与真实物理环境下相等价的效果。
将得到的运动规律编入Unity3D仿真系统底层后，当虚拟液压支架在虚拟底板上 推溜虚拟刮板输送机时，在C#语言环境下，将未知的关节变量
Figure 977798DEST_PATH_IMAGE051
定义为Position，
Figure 551999DEST_PATH_IMAGE052
定义 为ZhuanJiao2,
Figure 32659DEST_PATH_IMAGE053
定义为ZhuanJiao3,
Figure DEST_PATH_IMAGE057
定义为ZhuanJiao4,把针对不同条件确立的最优 解转化为C#语言，可使Position、ZhuanJiao2、ZhuanJiao3、ZhuanJiao4控制虚拟浮动连接 机构相关结构的移动和旋转，因而虚拟浮动连接机构可以按照真实的运动规律运动，在仿 真过程中可以将浮动连接机构各关节变量的值通过Xml文件输出，得到虚拟浮动连接机构 各关节变量的值。
实施一种虚拟液压支架是指与实际液压支架相等价，能够通过识别采煤机与刮板输送机的运行信息进行推溜、收互帮、降柱、移架、升柱等动作的虚拟模型。
实施一种虚拟底板是指在Unity3D虚拟环境下生成的高低不平的与真实底板相等价的虚拟底板。
实施一种虚拟刮板输送机是指与实际刮板输送机相等价的、可以自适应铺设在虚拟底板上、并且可模拟真实刮板输送机运动的虚拟刮板输送机。
实施一种虚拟浮动连接机构是指与实际液压支架与刮板输送机浮动连接机构相等价的虚拟浮动连接机构，由虚拟液压油缸、虚拟活塞杆、虚拟推移杆、虚拟连接头组成的具有四自由度的将刮板输送机与液压支架相连接的空间连杆机构。
下面通过实施实例对本发明的具体实施方式做出进一步的说明。
选择液压支架型号为：ZY11000/18/38D，采煤机型号为：MG400/920-WD，刮板输送机型号为：SGZ800/1050，分别建立虚拟环境下的虚拟模型。
在Unity3D环境下，可以直接获得液压支架位置以及刮板输送机推移耳相对于液 压支架的位置坐标,用（
Figure 793942DEST_PATH_IMAGE058
）表示，使用的长度距离为分米
Figure DEST_PATH_IMAGE059
，推移杆长度
Figure 385460DEST_PATH_IMAGE060
=10
Figure 79746DEST_PATH_IMAGE059
，连接头长度
Figure DEST_PATH_IMAGE061
=5.5
Figure 449417DEST_PATH_IMAGE059
，采煤机截深为800mm。建立如附图6所示的D-H参数坐标 系，得到如附图7所示的D-H参数表。
得到如下变换矩阵
Figure 494733DEST_PATH_IMAGE062
，
Figure DEST_PATH_IMAGE063
，
Figure 907577DEST_PATH_IMAGE046
,
Figure 730039DEST_PATH_IMAGE047
,
Figure 997073DEST_PATH_IMAGE048
因而，附图4所示机械手模型的正向运动矩阵为
Figure 664814DEST_PATH_IMAGE064
Figure 68114DEST_PATH_IMAGE013
对于未知的关节变量
Figure 327057DEST_PATH_IMAGE051
、
Figure 550228DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure 552819DEST_PATH_IMAGE053
、
Figure 810625DEST_PATH_IMAGE054
，可通过下列方程求解：
Figure 974890DEST_PATH_IMAGE019
Figure 701669DEST_PATH_IMAGE021
Figure DEST_PATH_IMAGE065
Figure 976792DEST_PATH_IMAGE025
Figure 89105DEST_PATH_IMAGE066
将
Figure 424271DEST_PATH_IMAGE060
、
Figure 887614DEST_PATH_IMAGE061
带入后，解得
Figure 966428DEST_PATH_IMAGE051
、
Figure 464405DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure 704894DEST_PATH_IMAGE053
、
Figure 655532DEST_PATH_IMAGE054
的表达式，将存在多解的情况，通过C#语言将 其编入Unity3D仿真系统底层，运行程序，将存在NAN的运动规律排除掉，观察浮动连接机构 的运行姿态，即是否捕捉到关键点，是否发生干涉，得到在推溜刮板输送机时的最优解，最 优解如下：
Figure 538038DEST_PATH_IMAGE068
Figure 624942DEST_PATH_IMAGE070
Figure 301911DEST_PATH_IMAGE072
Figure 723534DEST_PATH_IMAGE074
在Unity3D中对虚拟综采工作面“三机”加上物理引擎后，点击Unity3D虚拟仿真系统中虚拟操作面板的“开始运行”按钮，如附图7，虚拟液压支架推溜虚拟刮板输送机后，虚拟刮板输送机在附图8所代表的虚拟煤层上经反演后的姿态在垂直于弯曲底板铺设方向呈现出“理想S形弯曲”形态，点击“记录数据”按钮，可将虚拟浮动连接机构各结构运动参数以Xml文件的格式输出，得到虚拟环境下液压支架推溜相应中部槽的推移量，推移杆的偏航角、俯仰角，以及连接头摆动的最终角度，如附图10，附图11，附图12，附图13所示，附图14为在虚拟煤层下液压支架将刮板输送机推成“理想S形弯曲”时，其浮动连接机构在水平面方向上的姿态。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种液压支架与刮板输送机浮动连接机构姿态描述方法，其特征在于，包括：
将液压支架与刮板输送机的浮动连接机构简化为机械手模型，在已知刮板输送机中部槽姿态的前提下，以液压支架推移油缸前端面中心为初始坐标系，在刮板输送机推移耳处标记关键点作为最终坐标系；
基于工业机器人逆向运动学的解析方法确定浮动连接机构的各运动参数关系式；其中，所述运动参数是指关节角θ、关节距离d、连杆长度a、连杆扭转角
Figure FDA0002958536970000011
基于逆向运动学的多解性，根据得到运动规律对机械手模型运动的实现度，根据逐级渐进筛选法，选择最优解，确定浮动连接机构各结构的运动规律；
在虚拟环境下，将获得的运动规律编入Unity3D仿真系统底层，得到虚拟液压支架在虚拟底板上推移虚拟刮板输送机时，虚拟浮动连接机构精确的运动。
2.根据权利要求1所述的液压支架与刮板输送机浮动连接机构姿态描述方法，其特征在于，所述液压支架与刮板输送机浮动连接机构为由液压油缸、活塞杆、推移杆、连接头组成，具有四个自由度；其中，活塞杆在推移过程中沿轴线方向发生伸缩运动，推移杆绕连接销轴的轴线方向发生俯仰运动，同时与连接销轴产生偏航角，连接头绕销轴轴线方向产生偏航角，浮动连接机构用于连接液压支架与刮板输送机。
3.根据权利要求2所述的液压支架与刮板输送机浮动连接机构姿态描述方法，其特征在于，液压支架与刮板输送机浮动连接机构简化得到的机械手模型为具有四自由度的串联机械手模型，其中连接头简化为末端执行器、连接头与推移杆连接的销轴简化为具有偏航运动的旋转关节、活塞杆与推移杆之间的连接销轴简化为机器人的具有偏航运动与俯仰运动的旋转关节，液压油缸与活塞杆简化为机器人的棱柱关节。
4.根据权利要求1所述的液压支架与刮板输送机浮动连接机构姿态描述方法，其特征在于，基于工业机器人逆向运动学的解析方法包括步骤：
根据建立的机械手模型在各关节分别建立D-H矩阵坐标系，确定D-H矩阵坐标系统；其中，确定机械手模型的连杆是P||R(0°)，R⊥R(90°)，R⊥R(90°)，R||R(0°)，R⊥P(90°)，根据建立的D-H矩阵坐标系确定D-H参数表，根据相邻两坐标系的变换矩阵：
Figure FDA0002958536970000021
确定此机械手模型的所有变换矩阵：
Figure FDA0002958536970000022
Figure FDA0002958536970000023
Figure FDA0002958536970000024
根据0T5＝0T1·1T2·2T3·3T4·4T5，建立机械手模型的正向运动矩阵为：
Figure FDA0002958536970000025
对于未知的关节变量d1、θ2、θ3、θ4，通过下列方程求解：
1T5＝0T1 -1·0T5
2T5＝1T2 -1·0T1 -1·0T5
3T5＝2T3 -11T2 -1·0T1 -1·0T5
4T5＝3T4 -1·2T3 -1·1T2 -1·0T1 -1·0T5
I＝4T5 -1·3T4 -1·2T3 -1·1T2 -1·0T1 -1·0T5
由于采用逆向运动学方法，存在多解的问题，需要根据逐级渐进筛选法选择最优解；
其中，所述D-H矩阵坐标系是指给每个关节指定的本地参考系，其必须指定一个z轴和x轴；所述z轴指的是：如果关节是旋转的，z轴位于按右手旋转的方向；如果关节是滑动的，z轴为沿直线运动方向；所述x轴指的是：当关节不平行或相交时，z轴为斜线，总有一条距离最短的公垂线正交于任意两斜线，在此公垂线任意两方向上定义本地坐标系的x轴。
5.根据权利要求1所述的液压支架与刮板输送机浮动连接机构姿态描述方法，其特征在于，运动参数关节角θ指的是旋转关节按照右手旋转的方向绕所在轴线转动的角度；运动参数关节距离d指的是在沿着z轴方向两条相邻公垂线之间的距离；运动参数连杆长度a指的是每条公垂线的长度；运动参数连杆扭转角
Figure FDA0002958536970000031
指的是两个相邻z轴之间的角度；机械手模型运动的实现度是指机械手模型在此运动规律下的运动符合其规定运动所到达的范围的程度。
6.根据权利要求1所述的液压支架与刮板输送机浮动连接机构姿态描述方法，其特征在于，所述逐级渐进筛选法的步骤包括：
在获得末端执行器相对于基座的相对位置坐标(Δx，Δy，Δz)、推移杆长度l1、连接头长度l2的基础上，得到的运动规律为Δx、Δy、Δz、l1、l2的函数且包含三角函数及反三角函数；
由于(Δx，Δy，Δz)会随着液压支架推移刮板输送机的运动而发生变化，将所得的运动规律分别通过C#语言编入虚拟仿真软件Unity3D底层，虚拟系统运行时，若出现NAN即非数值情况时，此时程序无法运行，将此类运动规律排除，得到使浮动连接机构跟随刮板输送机运动的解；
改变刮板输送机推移耳中关键点的位置，根据连接头是否捕捉关键点，从得到的解中筛选能够捕捉关键位置的解，
根据在推移过程中推移杆不得与底座发生干涉、连接头不得与推移耳发生干涉的原则，从得到的能够捕捉关键位置的解中，选择最优解。
7.根据权利要求1所述的液压支架与刮板输送机浮动连接机构姿态描述方法，其特征在于，所述虚拟液压支架是指与实际液压支架相等价的虚拟模型，能够通过识别采煤机与刮板输送机的运行信息进行推溜、收互帮、降柱、移架、升柱动作；
所述虚拟底板是指在Unity3D虚拟环境下生成的高低不平的与真实底板相等价的虚拟底板；
所述虚拟刮板输送机是指与实际刮板输送机相等价的虚拟模型，自适应铺设在虚拟底板上；
所述虚拟浮动连接机构是指与实际液压支架与刮板输送机浮动连接机构相等价的虚拟浮动连接机构。
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