矿山机械的仿生应用探究

2014-03-18龙金生

中国高新技术企业 2014年5期

摘要：我国对于煤矿资源的需求量越来越大，对于煤矿生产的要求也就相应的提高，具体落实到生产中会以提高生产效率、改变生产方式作为突破口。文章就仿生学领域的一些相关技术作为切入点，仔细研究了仿生机械设备的使用基本原理和相关对于煤矿机械设备的优化方案，目的是通过引入仿生的概念技术来提高矿山挖掘的安全，有效的提高开采的效率。

关键词：仿生学；仿生机械；遗传算法

中图分类号：TD44 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）07-0098-02

在人类发展的过程中，是通过不断的学习和总结才能达到今天这样的文明程度的。其中学习包括人类自身总结出来的一些自然规律和了解自然界动植物的活动规律来获得的。现有的很多领域的科学制造技术都是在动物和植物的生活环境中学习总结出来的。这些动、植物为了更好的适应自然的变化，自身拥有一些本能，这些本能被人们所发现，并在一定的改造基础上成为人类自身的本领和技术，这就衍生出了一个学科——仿生学。

在现有的煤矿生产当中，存在很大的安全隐患，在一些机械设计中存在设计和使用脱节的情况，导致经常出现人员伤亡的现象。在了解了仿生技术之后，能够将仿生科技和现有的机械设备结合在一起，能够很大程度上降低生产中出现的安全事故，也能够将机械设计更加的人性化，智能化。

1 煤矿仿生机械的分类

仿生机械在煤矿生产中的使用类型很多，具体可以细分飞生产中的抓取、移动、开挖等四类。

1.1 仿生抓取机械

目前仿生机械在抓取功能方面的研究集中于仿人形机械手，主要因为人手（含手臂）共有36个自由度，自由度的增多可以改善以往机械设备活动不灵活的情况，而且还能精确定位还能做出复杂精细的动作，这些都是传统机械很难做到的。它们可分为工业机器人用机械手和科研智能机器人用机械手，在煤矿开挖时出现的复杂情况下，人工难以胜任工作的情况下，可以使用仿生抓取机械进行挖掘工作。

1.2 仿生移动机械

移动机构作为煤矿运输的平台在汽车领域、机器人领域及各类特种任务完成领域有着举足轻重的作用，传统移动机构的主要形态是轮式，结构相对简单可靠，技术成熟，且科技的发展使得现代移动机构负重能力不断加强，灵活性不断提高，在大多数情况下都能满足要求。然而随着人类涉足领域越来越广泛，在煤矿挖掘某些特殊环境下却不见的是最佳选择。研究者也看到了生物体的移动能力对环境的适应性是机械无可比拟的，部分生物在特殊环境中的移动能力更是令人叫绝。正是由于认识到了这一点，仿生机械学者在仿生移动机构方面做了大量大的工作，取得了许多成果。在煤矿生产中，地形复杂的情况出现的概率很高，相关的仿生机械移动机械可以很好的适应复杂条件的施工要求，确保了开挖的安全。

1.3 仿生开挖机械

机械的分类在不同的行业当中有不同的使用效果，具体的工作选取的机械也有很大的区别。在煤矿机械开挖设备的使用中，涉及到煤矿开挖的安全，在机械选择上有着特殊的需求。利用仿生原理下的设计方案，摒弃了传统的器械工作原理，使用更加人性化的机械设备，达到安全的目的。

2 仿生原理的使用案例

基于遗传算法技术的计算机网络设计是在以往传统的程序设计理念上加上了更多的计算机数据编程，是一种更加科学的现代化机械开挖手段。这也是煤矿开挖中使用仿生技术最为重要的案例之一。为在生产效率中也得到了很好的优化，也能使网络安全达到更好、更高的要求。接下来，我们将着重介绍在机械设备中使用仿生安全技术优化方案中的遗传算法。

遗传算法是20世纪70年代初期由美国密执根大学霍兰教授提出的一种为煤矿突水事故提供预测方法的一种提前预案。GA是一种在人为施工条件下非确定性的拟自然算法，这种算法是根据自然界仿照生物的固有进化规律，对一个大的群体进行随机抽样，观测其繁衍变化以及淘汰机制。其中就会有适者生存，不适者就会被淘汰，按照这样的规律不断重复，使整个群体在繁衍的素质上和种群的数量上都会有很大的提高，时间变长，这样的趋势会显现的更加明显，最终会以一种优化平衡的态势趋于平衡，并且保持最优配合比。遗传算法具有鲁棒性、自适应性、全局优化性和隐含并行性。

图1 遗传算法

尽管遗传算法在计算机网络可靠度技术指导下已解决煤矿生产中了许多难题，但还存在许多不足之处，如算法本身的参数优化问题、如何避免过早收敛、如何改进计算机有效的工作时间和工作方法来提高算法的效率、遗传算法与其它优化算法的结合问题等。用遗传算法求解约线性和非线性优化问题时，一般采用共轭发散函数法，如何合理的选择共轭因子是算法的难点之

所在。

煤矿机械设备中使用仿生遗传算法是一个很好的切入点，同时，在使用中对于遗传算法的使用也在不断的完善过程中，对于算法的根式也在不断的更新，为了提高算法在使用中的准确度，作为算法的设计与机械操作相互结合的理论基础，不仅要使得设备的使用年限增加，还要对机械使用的效率进一步提升。在遗传算法的基础上，改进的算法在以往六个高速运算的设计布局中，重新组成新的装配方式，在基本联接关系上也从原来的两个变成了四个，更加贴合了煤矿机械在操作中细部的指示命令的落实。使用更加符合机械运转的改进遗传算法可以将机械的整体布局系统的串联情况与设计模拟方程的构造结合在一起，对于函数的提出在机械的设计中更加重要，最终通过建立模型的方式来将复杂的机械系统的优化组织方案简化。

仿生遗传算法在用模型描述煤矿机械动力学研究的过程中，在开挖优化方案上提出了一些不同之处，在数据的编码上和变量的估算上略有不同。因此，在这就对变量本身进行了遗传算法模型的设计，对于机械的悬挂系统和传动系统分部进行了弹性模量的检测和调整，用日常机械工作状态下的发动机功率和受到的阻力作为设计的相关参数，借此来对整体的机械有更好的全局优化，大大提高了传统工艺下完全靠人为的检测要更加稳定和准确。为求解复杂的非线性约束优化问题，对二级斜齿圆柱齿轮减速机的概率可靠性等机构进行了优化

设计。

3 结语

基于仿生技术下的煤矿开挖设备的使用是在机械应用领域的一项革命性的技术，同时在许多行业中都有着巨大的发展空间及应用价值。在矿区机械设计进程中引入仿生技术有着明显的优势，它在简化管理，加强安全监控等方面具有不可比拟的优势，十分适合我国煤矿行业的发展。在本文中还就仿生科技中的遗传算法的优化方面的内容进行研究，目的是使得煤矿机械设备在使用中更加安全、稳定，操作起来更加人性化，促使煤矿行业更快、更好的发展。

参考文献

[1] 濮良贵.机械零件[M].北京高等教育出版社，

1982，5（13）.

[2] 蒲俊，吉家锋.可靠度可视化技术数学手册[M].