礦山機(jī)械的仿生應(yīng)用探究

摘要：我國(guó)對(duì)于煤礦資源的需求量越來(lái)越大，對(duì)于煤礦生產(chǎn)的要求也就相應(yīng)的提高，具體落實(shí)到生產(chǎn)中會(huì)以提高生產(chǎn)效率、改變生產(chǎn)方式作為突破口。文章就仿生學(xué)領(lǐng)域的一些相關(guān)技術(shù)作為切入點(diǎn)，仔細(xì)研究了仿生機(jī)械設(shè)備的使用基本原理和相關(guān)對(duì)于煤礦機(jī)械設(shè)備的優(yōu)化方案，目的是通過(guò)引入仿生的概念技術(shù)來(lái)提高礦山挖掘的安全，有效的提高開(kāi)采的效率。

關(guān)鍵詞：仿生學(xué)；仿生機(jī)械；遺傳算法

中圖分類(lèi)號(hào)：TD44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）07-0098-02

在人類(lèi)發(fā)展的過(guò)程中，是通過(guò)不斷的學(xué)習(xí)和總結(jié)才能達(dá)到今天這樣的文明程度的。其中學(xué)習(xí)包括人類(lèi)自身總結(jié)出來(lái)的一些自然規(guī)律和了解自然界動(dòng)植物的活動(dòng)規(guī)律來(lái)獲得的。現(xiàn)有的很多領(lǐng)域的科學(xué)制造技術(shù)都是在動(dòng)物和植物的生活環(huán)境中學(xué)習(xí)總結(jié)出來(lái)的。這些動(dòng)、植物為了更好的適應(yīng)自然的變化，自身?yè)碛幸恍┍灸埽@些本能被人們所發(fā)現(xiàn)，并在一定的改造基礎(chǔ)上成為人類(lèi)自身的本領(lǐng)和技術(shù)，這就衍生出了一個(gè)學(xué)科——仿生學(xué)。

在現(xiàn)有的煤礦生產(chǎn)當(dāng)中，存在很大的安全隱患，在一些機(jī)械設(shè)計(jì)中存在設(shè)計(jì)和使用脫節(jié)的情況，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)人員傷亡的現(xiàn)象。在了解了仿生技術(shù)之后，能夠?qū)⒎律萍己同F(xiàn)有的機(jī)械設(shè)備結(jié)合在一起，能夠很大程度上降低生產(chǎn)中出現(xiàn)的安全事故，也能夠?qū)C(jī)械設(shè)計(jì)更加的人性化，智能化。

1 煤礦仿生機(jī)械的分類(lèi)

仿生機(jī)械在煤礦生產(chǎn)中的使用類(lèi)型很多，具體可以細(xì)分飛生產(chǎn)中的抓取、移動(dòng)、開(kāi)挖等四類(lèi)。

1.1 仿生抓取機(jī)械

目前仿生機(jī)械在抓取功能方面的研究集中于仿人形機(jī)械手，主要因?yàn)槿耸郑ê直郏┕灿?6個(gè)自由度，自由度的增多可以改善以往機(jī)械設(shè)備活動(dòng)不靈活的情況，而且還能精確定位還能做出復(fù)雜精細(xì)的動(dòng)作，這些都是傳統(tǒng)機(jī)械很難做到的。它們可分為工業(yè)機(jī)器人用機(jī)械手和科研智能機(jī)器人用機(jī)械手，在煤礦開(kāi)挖時(shí)出現(xiàn)的復(fù)雜情況下，人工難以勝任工作的情況下，可以使用仿生抓取機(jī)械進(jìn)行挖掘工作。

1.2 仿生移動(dòng)機(jī)械

移動(dòng)機(jī)構(gòu)作為煤礦運(yùn)輸?shù)钠脚_(tái)在汽車(chē)領(lǐng)域、機(jī)器人領(lǐng)域及各類(lèi)特種任務(wù)完成領(lǐng)域有著舉足輕重的作用，傳統(tǒng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要形態(tài)是輪式，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單可靠，技術(shù)成熟，且科技的發(fā)展使得現(xiàn)代移動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)重能力不斷加強(qiáng)，靈活性不斷提高，在大多數(shù)情況下都能滿(mǎn)足要求。然而隨著人類(lèi)涉足領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，在煤礦挖掘某些特殊環(huán)境下卻不見(jiàn)的是最佳選擇。研究者也看到了生物體的移動(dòng)能力對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性是機(jī)械無(wú)可比擬的，部分生物在特殊環(huán)境中的移動(dòng)能力更是令人叫絕。正是由于認(rèn)識(shí)到了這一點(diǎn)，仿生機(jī)械學(xué)者在仿生移動(dòng)機(jī)構(gòu)方面做了大量大的工作，取得了許多成果。在煤礦生產(chǎn)中，地形復(fù)雜的情況出現(xiàn)的概率很高，相關(guān)的仿生機(jī)械移動(dòng)機(jī)械可以很好的適應(yīng)復(fù)雜條件的施工要求，確保了開(kāi)挖的安全。

1.3 仿生開(kāi)挖機(jī)械

機(jī)械的分類(lèi)在不同的行業(yè)當(dāng)中有不同的使用效果，具體的工作選取的機(jī)械也有很大的區(qū)別。在煤礦機(jī)械開(kāi)挖設(shè)備的使用中，涉及到煤礦開(kāi)挖的安全，在機(jī)械選擇上有著特殊的需求。利用仿生原理下的設(shè)計(jì)方案，摒棄了傳統(tǒng)的器械工作原理，使用更加人性化的機(jī)械設(shè)備，達(dá)到安全的目的。

2 仿生原理的使用案例

基于遺傳算法技術(shù)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是在以往傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)理念上加上了更多的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)編程，是一種更加科學(xué)的現(xiàn)代化機(jī)械開(kāi)挖手段。這也是煤礦開(kāi)挖中使用仿生技術(shù)最為重要的案例之一。為在生產(chǎn)效率中也得到了很好的優(yōu)化，也能使網(wǎng)絡(luò)安全達(dá)到更好、更高的要求。接下來(lái)，我們將著重介紹在機(jī)械設(shè)備中使用仿生安全技術(shù)優(yōu)化方案中的遺傳算法。

遺傳算法是20世紀(jì)70年代初期由美國(guó)密執(zhí)根大學(xué)霍蘭教授提出的一種為煤礦突水事故提供預(yù)測(cè)方法的一種提前預(yù)案。GA是一種在人為施工條件下非確定性的擬自然算法，這種算法是根據(jù)自然界仿照生物的固有進(jìn)化規(guī)律，對(duì)一個(gè)大的群體進(jìn)行隨機(jī)抽樣，觀測(cè)其繁衍變化以及淘汰機(jī)制。其中就會(huì)有適者生存，不適者就會(huì)被淘汰，按照這樣的規(guī)律不斷重復(fù)，使整個(gè)群體在繁衍的素質(zhì)上和種群的數(shù)量上都會(huì)有很大的提高，時(shí)間變長(zhǎng)，這樣的趨勢(shì)會(huì)顯現(xiàn)的更加明顯，最終會(huì)以一種優(yōu)化平衡的態(tài)勢(shì)趨于平衡，并且保持最優(yōu)配合比。遺傳算法具有魯棒性、自適應(yīng)性、全局優(yōu)化性和隱含并行性。

圖1 遺傳算法

盡管遺傳算法在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠度技術(shù)指導(dǎo)下已解決煤礦生產(chǎn)中了許多難題，但還存在許多不足之處，如算法本身的參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題、如何避免過(guò)早收斂、如何改進(jìn)計(jì)算機(jī)有效的工作時(shí)間和工作方法來(lái)提高算法的效率、遺傳算法與其它優(yōu)化算法的結(jié)合問(wèn)題等。用遺傳算法求解約線性和非線性?xún)?yōu)化問(wèn)題時(shí)，一般采用共軛發(fā)散函數(shù)法，如何合理的選擇共軛因子是算法的難點(diǎn)之

所在。

煤礦機(jī)械設(shè)備中使用仿生遺傳算法是一個(gè)很好的切入點(diǎn)，同時(shí)，在使用中對(duì)于遺傳算法的使用也在不斷的完善過(guò)程中，對(duì)于算法的根式也在不斷的更新，為了提高算法在使用中的準(zhǔn)確度，作為算法的設(shè)計(jì)與機(jī)械操作相互結(jié)合的理論基礎(chǔ)，不僅要使得設(shè)備的使用年限增加，還要對(duì)機(jī)械使用的效率進(jìn)一步提升。在遺傳算法的基礎(chǔ)上，改進(jìn)的算法在以往六個(gè)高速運(yùn)算的設(shè)計(jì)布局中，重新組成新的裝配方式，在基本聯(lián)接關(guān)系上也從原來(lái)的兩個(gè)變成了四個(gè)，更加貼合了煤礦機(jī)械在操作中細(xì)部的指示命令的落實(shí)。使用更加符合機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的改進(jìn)遺傳算法可以將機(jī)械的整體布局系統(tǒng)的串聯(lián)情況與設(shè)計(jì)模擬方程的構(gòu)造結(jié)合在一起，對(duì)于函數(shù)的提出在機(jī)械的設(shè)計(jì)中更加重要，最終通過(guò)建立模型的方式來(lái)將復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)的優(yōu)化組織方案簡(jiǎn)化。

仿生遺傳算法在用模型描述煤礦機(jī)械動(dòng)力學(xué)研究的過(guò)程中，在開(kāi)挖優(yōu)化方案上提出了一些不同之處，在數(shù)據(jù)的編碼上和變量的估算上略有不同。因此，在這就對(duì)變量本身進(jìn)行了遺傳算法模型的設(shè)計(jì)，對(duì)于機(jī)械的懸掛系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)分部進(jìn)行了彈性模量的檢測(cè)和調(diào)整，用日常機(jī)械工作狀態(tài)下的發(fā)動(dòng)機(jī)功率和受到的阻力作為設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)，借此來(lái)對(duì)整體的機(jī)械有更好的全局優(yōu)化，大大提高了傳統(tǒng)工藝下完全靠人為的檢測(cè)要更加穩(wěn)定和準(zhǔn)確。為求解復(fù)雜的非線性約束優(yōu)化問(wèn)題，對(duì)二級(jí)斜齒圓柱齒輪減速機(jī)的概率可靠性等機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化

設(shè)計(jì)。

3 結(jié)語(yǔ)

基于仿生技術(shù)下的煤礦開(kāi)挖設(shè)備的使用是在機(jī)械應(yīng)用領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性的技術(shù)，同時(shí)在許多行業(yè)中都有著巨大的發(fā)展空間及應(yīng)用價(jià)值。在礦區(qū)機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)程中引入仿生技術(shù)有著明顯的優(yōu)勢(shì)，它在簡(jiǎn)化管理，加強(qiáng)安全監(jiān)控等方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，十分適合我國(guó)煤礦行業(yè)的發(fā)展。在本文中還就仿生科技中的遺傳算法的優(yōu)化方面的內(nèi)容進(jìn)行研究，目的是使得煤礦機(jī)械設(shè)備在使用中更加安全、穩(wěn)定，操作起來(lái)更加人性化，促使煤礦行業(yè)更快、更好的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 濮良貴.機(jī)械零件[M].北京高等教育出版社，

1982，5（13）.

[2] 蒲俊，吉家鋒.可靠度可視化技術(shù)數(shù)學(xué)手冊(cè)[M].

上海浦東電子出版社，2002，9（11）.

作者簡(jiǎn)介：龍金生（1961—），遼寧本溪人，鶴崗斯達(dá)機(jī)電設(shè)備制造有限責(zé)任公司助理工程師，研究方向：機(jī)械工程。endprint

摘要：我國(guó)對(duì)于煤礦資源的需求量越來(lái)越大，對(duì)于煤礦生產(chǎn)的要求也就相應(yīng)的提高，具體落實(shí)到生產(chǎn)中會(huì)以提高生產(chǎn)效率、改變生產(chǎn)方式作為突破口。文章就仿生學(xué)領(lǐng)域的一些相關(guān)技術(shù)作為切入點(diǎn)，仔細(xì)研究了仿生機(jī)械設(shè)備的使用基本原理和相關(guān)對(duì)于煤礦機(jī)械設(shè)備的優(yōu)化方案，目的是通過(guò)引入仿生的概念技術(shù)來(lái)提高礦山挖掘的安全，有效的提高開(kāi)采的效率。

關(guān)鍵詞：仿生學(xué)；仿生機(jī)械；遺傳算法

中圖分類(lèi)號(hào)：TD44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）07-0098-02

在人類(lèi)發(fā)展的過(guò)程中，是通過(guò)不斷的學(xué)習(xí)和總結(jié)才能達(dá)到今天這樣的文明程度的。其中學(xué)習(xí)包括人類(lèi)自身總結(jié)出來(lái)的一些自然規(guī)律和了解自然界動(dòng)植物的活動(dòng)規(guī)律來(lái)獲得的。現(xiàn)有的很多領(lǐng)域的科學(xué)制造技術(shù)都是在動(dòng)物和植物的生活環(huán)境中學(xué)習(xí)總結(jié)出來(lái)的。這些動(dòng)、植物為了更好的適應(yīng)自然的變化，自身?yè)碛幸恍┍灸埽@些本能被人們所發(fā)現(xiàn)，并在一定的改造基礎(chǔ)上成為人類(lèi)自身的本領(lǐng)和技術(shù)，這就衍生出了一個(gè)學(xué)科——仿生學(xué)。

在現(xiàn)有的煤礦生產(chǎn)當(dāng)中，存在很大的安全隱患，在一些機(jī)械設(shè)計(jì)中存在設(shè)計(jì)和使用脫節(jié)的情況，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)人員傷亡的現(xiàn)象。在了解了仿生技術(shù)之后，能夠?qū)⒎律萍己同F(xiàn)有的機(jī)械設(shè)備結(jié)合在一起，能夠很大程度上降低生產(chǎn)中出現(xiàn)的安全事故，也能夠?qū)C(jī)械設(shè)計(jì)更加的人性化，智能化。

1 煤礦仿生機(jī)械的分類(lèi)

仿生機(jī)械在煤礦生產(chǎn)中的使用類(lèi)型很多，具體可以細(xì)分飛生產(chǎn)中的抓取、移動(dòng)、開(kāi)挖等四類(lèi)。

1.1 仿生抓取機(jī)械

目前仿生機(jī)械在抓取功能方面的研究集中于仿人形機(jī)械手，主要因?yàn)槿耸郑ê直郏┕灿?6個(gè)自由度，自由度的增多可以改善以往機(jī)械設(shè)備活動(dòng)不靈活的情況，而且還能精確定位還能做出復(fù)雜精細(xì)的動(dòng)作，這些都是傳統(tǒng)機(jī)械很難做到的。它們可分為工業(yè)機(jī)器人用機(jī)械手和科研智能機(jī)器人用機(jī)械手，在煤礦開(kāi)挖時(shí)出現(xiàn)的復(fù)雜情況下，人工難以勝任工作的情況下，可以使用仿生抓取機(jī)械進(jìn)行挖掘工作。

1.2 仿生移動(dòng)機(jī)械

移動(dòng)機(jī)構(gòu)作為煤礦運(yùn)輸?shù)钠脚_(tái)在汽車(chē)領(lǐng)域、機(jī)器人領(lǐng)域及各類(lèi)特種任務(wù)完成領(lǐng)域有著舉足輕重的作用，傳統(tǒng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要形態(tài)是輪式，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單可靠，技術(shù)成熟，且科技的發(fā)展使得現(xiàn)代移動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)重能力不斷加強(qiáng)，靈活性不斷提高，在大多數(shù)情況下都能滿(mǎn)足要求。然而隨著人類(lèi)涉足領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，在煤礦挖掘某些特殊環(huán)境下卻不見(jiàn)的是最佳選擇。研究者也看到了生物體的移動(dòng)能力對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性是機(jī)械無(wú)可比擬的，部分生物在特殊環(huán)境中的移動(dòng)能力更是令人叫絕。正是由于認(rèn)識(shí)到了這一點(diǎn)，仿生機(jī)械學(xué)者在仿生移動(dòng)機(jī)構(gòu)方面做了大量大的工作，取得了許多成果。在煤礦生產(chǎn)中，地形復(fù)雜的情況出現(xiàn)的概率很高，相關(guān)的仿生機(jī)械移動(dòng)機(jī)械可以很好的適應(yīng)復(fù)雜條件的施工要求，確保了開(kāi)挖的安全。

1.3 仿生開(kāi)挖機(jī)械

機(jī)械的分類(lèi)在不同的行業(yè)當(dāng)中有不同的使用效果，具體的工作選取的機(jī)械也有很大的區(qū)別。在煤礦機(jī)械開(kāi)挖設(shè)備的使用中，涉及到煤礦開(kāi)挖的安全，在機(jī)械選擇上有著特殊的需求。利用仿生原理下的設(shè)計(jì)方案，摒棄了傳統(tǒng)的器械工作原理，使用更加人性化的機(jī)械設(shè)備，達(dá)到安全的目的。

2 仿生原理的使用案例

基于遺傳算法技術(shù)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是在以往傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)理念上加上了更多的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)編程，是一種更加科學(xué)的現(xiàn)代化機(jī)械開(kāi)挖手段。這也是煤礦開(kāi)挖中使用仿生技術(shù)最為重要的案例之一。為在生產(chǎn)效率中也得到了很好的優(yōu)化，也能使網(wǎng)絡(luò)安全達(dá)到更好、更高的要求。接下來(lái)，我們將著重介紹在機(jī)械設(shè)備中使用仿生安全技術(shù)優(yōu)化方案中的遺傳算法。

遺傳算法是20世紀(jì)70年代初期由美國(guó)密執(zhí)根大學(xué)霍蘭教授提出的一種為煤礦突水事故提供預(yù)測(cè)方法的一種提前預(yù)案。GA是一種在人為施工條件下非確定性的擬自然算法，這種算法是根據(jù)自然界仿照生物的固有進(jìn)化規(guī)律，對(duì)一個(gè)大的群體進(jìn)行隨機(jī)抽樣，觀測(cè)其繁衍變化以及淘汰機(jī)制。其中就會(huì)有適者生存，不適者就會(huì)被淘汰，按照這樣的規(guī)律不斷重復(fù)，使整個(gè)群體在繁衍的素質(zhì)上和種群的數(shù)量上都會(huì)有很大的提高，時(shí)間變長(zhǎng)，這樣的趨勢(shì)會(huì)顯現(xiàn)的更加明顯，最終會(huì)以一種優(yōu)化平衡的態(tài)勢(shì)趨于平衡，并且保持最優(yōu)配合比。遺傳算法具有魯棒性、自適應(yīng)性、全局優(yōu)化性和隱含并行性。

圖1 遺傳算法

盡管遺傳算法在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠度技術(shù)指導(dǎo)下已解決煤礦生產(chǎn)中了許多難題，但還存在許多不足之處，如算法本身的參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題、如何避免過(guò)早收斂、如何改進(jìn)計(jì)算機(jī)有效的工作時(shí)間和工作方法來(lái)提高算法的效率、遺傳算法與其它優(yōu)化算法的結(jié)合問(wèn)題等。用遺傳算法求解約線性和非線性?xún)?yōu)化問(wèn)題時(shí)，一般采用共軛發(fā)散函數(shù)法，如何合理的選擇共軛因子是算法的難點(diǎn)之

所在。

煤礦機(jī)械設(shè)備中使用仿生遺傳算法是一個(gè)很好的切入點(diǎn)，同時(shí)，在使用中對(duì)于遺傳算法的使用也在不斷的完善過(guò)程中，對(duì)于算法的根式也在不斷的更新，為了提高算法在使用中的準(zhǔn)確度，作為算法的設(shè)計(jì)與機(jī)械操作相互結(jié)合的理論基礎(chǔ)，不僅要使得設(shè)備的使用年限增加，還要對(duì)機(jī)械使用的效率進(jìn)一步提升。在遺傳算法的基礎(chǔ)上，改進(jìn)的算法在以往六個(gè)高速運(yùn)算的設(shè)計(jì)布局中，重新組成新的裝配方式，在基本聯(lián)接關(guān)系上也從原來(lái)的兩個(gè)變成了四個(gè)，更加貼合了煤礦機(jī)械在操作中細(xì)部的指示命令的落實(shí)。使用更加符合機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的改進(jìn)遺傳算法可以將機(jī)械的整體布局系統(tǒng)的串聯(lián)情況與設(shè)計(jì)模擬方程的構(gòu)造結(jié)合在一起，對(duì)于函數(shù)的提出在機(jī)械的設(shè)計(jì)中更加重要，最終通過(guò)建立模型的方式來(lái)將復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)的優(yōu)化組織方案簡(jiǎn)化。

仿生遺傳算法在用模型描述煤礦機(jī)械動(dòng)力學(xué)研究的過(guò)程中，在開(kāi)挖優(yōu)化方案上提出了一些不同之處，在數(shù)據(jù)的編碼上和變量的估算上略有不同。因此，在這就對(duì)變量本身進(jìn)行了遺傳算法模型的設(shè)計(jì)，對(duì)于機(jī)械的懸掛系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)分部進(jìn)行了彈性模量的檢測(cè)和調(diào)整，用日常機(jī)械工作狀態(tài)下的發(fā)動(dòng)機(jī)功率和受到的阻力作為設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)，借此來(lái)對(duì)整體的機(jī)械有更好的全局優(yōu)化，大大提高了傳統(tǒng)工藝下完全靠人為的檢測(cè)要更加穩(wěn)定和準(zhǔn)確。為求解復(fù)雜的非線性約束優(yōu)化問(wèn)題，對(duì)二級(jí)斜齒圓柱齒輪減速機(jī)的概率可靠性等機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化

設(shè)計(jì)。

3 結(jié)語(yǔ)

基于仿生技術(shù)下的煤礦開(kāi)挖設(shè)備的使用是在機(jī)械應(yīng)用領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性的技術(shù)，同時(shí)在許多行業(yè)中都有著巨大的發(fā)展空間及應(yīng)用價(jià)值。在礦區(qū)機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)程中引入仿生技術(shù)有著明顯的優(yōu)勢(shì)，它在簡(jiǎn)化管理，加強(qiáng)安全監(jiān)控等方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，十分適合我國(guó)煤礦行業(yè)的發(fā)展。在本文中還就仿生科技中的遺傳算法的優(yōu)化方面的內(nèi)容進(jìn)行研究，目的是使得煤礦機(jī)械設(shè)備在使用中更加安全、穩(wěn)定，操作起來(lái)更加人性化，促使煤礦行業(yè)更快、更好的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 濮良貴.機(jī)械零件[M].北京高等教育出版社，

1982，5（13）.

[2] 蒲俊，吉家鋒.可靠度可視化技術(shù)數(shù)學(xué)手冊(cè)[M].

上海浦東電子出版社，2002，9（11）.

作者簡(jiǎn)介：龍金生（1961—），遼寧本溪人，鶴崗斯達(dá)機(jī)電設(shè)備制造有限責(zé)任公司助理工程師，研究方向：機(jī)械工程。endprint

摘要：我國(guó)對(duì)于煤礦資源的需求量越來(lái)越大，對(duì)于煤礦生產(chǎn)的要求也就相應(yīng)的提高，具體落實(shí)到生產(chǎn)中會(huì)以提高生產(chǎn)效率、改變生產(chǎn)方式作為突破口。文章就仿生學(xué)領(lǐng)域的一些相關(guān)技術(shù)作為切入點(diǎn)，仔細(xì)研究了仿生機(jī)械設(shè)備的使用基本原理和相關(guān)對(duì)于煤礦機(jī)械設(shè)備的優(yōu)化方案，目的是通過(guò)引入仿生的概念技術(shù)來(lái)提高礦山挖掘的安全，有效的提高開(kāi)采的效率。

關(guān)鍵詞：仿生學(xué)；仿生機(jī)械；遺傳算法

中圖分類(lèi)號(hào)：TD44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）07-0098-02

在人類(lèi)發(fā)展的過(guò)程中，是通過(guò)不斷的學(xué)習(xí)和總結(jié)才能達(dá)到今天這樣的文明程度的。其中學(xué)習(xí)包括人類(lèi)自身總結(jié)出來(lái)的一些自然規(guī)律和了解自然界動(dòng)植物的活動(dòng)規(guī)律來(lái)獲得的。現(xiàn)有的很多領(lǐng)域的科學(xué)制造技術(shù)都是在動(dòng)物和植物的生活環(huán)境中學(xué)習(xí)總結(jié)出來(lái)的。這些動(dòng)、植物為了更好的適應(yīng)自然的變化，自身?yè)碛幸恍┍灸埽@些本能被人們所發(fā)現(xiàn)，并在一定的改造基礎(chǔ)上成為人類(lèi)自身的本領(lǐng)和技術(shù)，這就衍生出了一個(gè)學(xué)科——仿生學(xué)。

在現(xiàn)有的煤礦生產(chǎn)當(dāng)中，存在很大的安全隱患，在一些機(jī)械設(shè)計(jì)中存在設(shè)計(jì)和使用脫節(jié)的情況，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)人員傷亡的現(xiàn)象。在了解了仿生技術(shù)之后，能夠?qū)⒎律萍己同F(xiàn)有的機(jī)械設(shè)備結(jié)合在一起，能夠很大程度上降低生產(chǎn)中出現(xiàn)的安全事故，也能夠?qū)C(jī)械設(shè)計(jì)更加的人性化，智能化。

1 煤礦仿生機(jī)械的分類(lèi)

仿生機(jī)械在煤礦生產(chǎn)中的使用類(lèi)型很多，具體可以細(xì)分飛生產(chǎn)中的抓取、移動(dòng)、開(kāi)挖等四類(lèi)。

1.1 仿生抓取機(jī)械

目前仿生機(jī)械在抓取功能方面的研究集中于仿人形機(jī)械手，主要因?yàn)槿耸郑ê直郏┕灿?6個(gè)自由度，自由度的增多可以改善以往機(jī)械設(shè)備活動(dòng)不靈活的情況，而且還能精確定位還能做出復(fù)雜精細(xì)的動(dòng)作，這些都是傳統(tǒng)機(jī)械很難做到的。它們可分為工業(yè)機(jī)器人用機(jī)械手和科研智能機(jī)器人用機(jī)械手，在煤礦開(kāi)挖時(shí)出現(xiàn)的復(fù)雜情況下，人工難以勝任工作的情況下，可以使用仿生抓取機(jī)械進(jìn)行挖掘工作。

1.2 仿生移動(dòng)機(jī)械

移動(dòng)機(jī)構(gòu)作為煤礦運(yùn)輸?shù)钠脚_(tái)在汽車(chē)領(lǐng)域、機(jī)器人領(lǐng)域及各類(lèi)特種任務(wù)完成領(lǐng)域有著舉足輕重的作用，傳統(tǒng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要形態(tài)是輪式，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單可靠，技術(shù)成熟，且科技的發(fā)展使得現(xiàn)代移動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)重能力不斷加強(qiáng)，靈活性不斷提高，在大多數(shù)情況下都能滿(mǎn)足要求。然而隨著人類(lèi)涉足領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，在煤礦挖掘某些特殊環(huán)境下卻不見(jiàn)的是最佳選擇。研究者也看到了生物體的移動(dòng)能力對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性是機(jī)械無(wú)可比擬的，部分生物在特殊環(huán)境中的移動(dòng)能力更是令人叫絕。正是由于認(rèn)識(shí)到了這一點(diǎn)，仿生機(jī)械學(xué)者在仿生移動(dòng)機(jī)構(gòu)方面做了大量大的工作，取得了許多成果。在煤礦生產(chǎn)中，地形復(fù)雜的情況出現(xiàn)的概率很高，相關(guān)的仿生機(jī)械移動(dòng)機(jī)械可以很好的適應(yīng)復(fù)雜條件的施工要求，確保了開(kāi)挖的安全。

1.3 仿生開(kāi)挖機(jī)械

機(jī)械的分類(lèi)在不同的行業(yè)當(dāng)中有不同的使用效果，具體的工作選取的機(jī)械也有很大的區(qū)別。在煤礦機(jī)械開(kāi)挖設(shè)備的使用中，涉及到煤礦開(kāi)挖的安全，在機(jī)械選擇上有著特殊的需求。利用仿生原理下的設(shè)計(jì)方案，摒棄了傳統(tǒng)的器械工作原理，使用更加人性化的機(jī)械設(shè)備，達(dá)到安全的目的。

2 仿生原理的使用案例

基于遺傳算法技術(shù)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是在以往傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)理念上加上了更多的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)編程，是一種更加科學(xué)的現(xiàn)代化機(jī)械開(kāi)挖手段。這也是煤礦開(kāi)挖中使用仿生技術(shù)最為重要的案例之一。為在生產(chǎn)效率中也得到了很好的優(yōu)化，也能使網(wǎng)絡(luò)安全達(dá)到更好、更高的要求。接下來(lái)，我們將著重介紹在機(jī)械設(shè)備中使用仿生安全技術(shù)優(yōu)化方案中的遺傳算法。

遺傳算法是20世紀(jì)70年代初期由美國(guó)密執(zhí)根大學(xué)霍蘭教授提出的一種為煤礦突水事故提供預(yù)測(cè)方法的一種提前預(yù)案。GA是一種在人為施工條件下非確定性的擬自然算法，這種算法是根據(jù)自然界仿照生物的固有進(jìn)化規(guī)律，對(duì)一個(gè)大的群體進(jìn)行隨機(jī)抽樣，觀測(cè)其繁衍變化以及淘汰機(jī)制。其中就會(huì)有適者生存，不適者就會(huì)被淘汰，按照這樣的規(guī)律不斷重復(fù)，使整個(gè)群體在繁衍的素質(zhì)上和種群的數(shù)量上都會(huì)有很大的提高，時(shí)間變長(zhǎng)，這樣的趨勢(shì)會(huì)顯現(xiàn)的更加明顯，最終會(huì)以一種優(yōu)化平衡的態(tài)勢(shì)趨于平衡，并且保持最優(yōu)配合比。遺傳算法具有魯棒性、自適應(yīng)性、全局優(yōu)化性和隱含并行性。

圖1 遺傳算法

盡管遺傳算法在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠度技術(shù)指導(dǎo)下已解決煤礦生產(chǎn)中了許多難題，但還存在許多不足之處，如算法本身的參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題、如何避免過(guò)早收斂、如何改進(jìn)計(jì)算機(jī)有效的工作時(shí)間和工作方法來(lái)提高算法的效率、遺傳算法與其它優(yōu)化算法的結(jié)合問(wèn)題等。用遺傳算法求解約線性和非線性?xún)?yōu)化問(wèn)題時(shí)，一般采用共軛發(fā)散函數(shù)法，如何合理的選擇共軛因子是算法的難點(diǎn)之

所在。

煤礦機(jī)械設(shè)備中使用仿生遺傳算法是一個(gè)很好的切入點(diǎn)，同時(shí)，在使用中對(duì)于遺傳算法的使用也在不斷的完善過(guò)程中，對(duì)于算法的根式也在不斷的更新，為了提高算法在使用中的準(zhǔn)確度，作為算法的設(shè)計(jì)與機(jī)械操作相互結(jié)合的理論基礎(chǔ)，不僅要使得設(shè)備的使用年限增加，還要對(duì)機(jī)械使用的效率進(jìn)一步提升。在遺傳算法的基礎(chǔ)上，改進(jìn)的算法在以往六個(gè)高速運(yùn)算的設(shè)計(jì)布局中，重新組成新的裝配方式，在基本聯(lián)接關(guān)系上也從原來(lái)的兩個(gè)變成了四個(gè)，更加貼合了煤礦機(jī)械在操作中細(xì)部的指示命令的落實(shí)。使用更加符合機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的改進(jìn)遺傳算法可以將機(jī)械的整體布局系統(tǒng)的串聯(lián)情況與設(shè)計(jì)模擬方程的構(gòu)造結(jié)合在一起，對(duì)于函數(shù)的提出在機(jī)械的設(shè)計(jì)中更加重要，最終通過(guò)建立模型的方式來(lái)將復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)的優(yōu)化組織方案簡(jiǎn)化。

仿生遺傳算法在用模型描述煤礦機(jī)械動(dòng)力學(xué)研究的過(guò)程中，在開(kāi)挖優(yōu)化方案上提出了一些不同之處，在數(shù)據(jù)的編碼上和變量的估算上略有不同。因此，在這就對(duì)變量本身進(jìn)行了遺傳算法模型的設(shè)計(jì)，對(duì)于機(jī)械的懸掛系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)分部進(jìn)行了彈性模量的檢測(cè)和調(diào)整，用日常機(jī)械工作狀態(tài)下的發(fā)動(dòng)機(jī)功率和受到的阻力作為設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)，借此來(lái)對(duì)整體的機(jī)械有更好的全局優(yōu)化，大大提高了傳統(tǒng)工藝下完全靠人為的檢測(cè)要更加穩(wěn)定和準(zhǔn)確。為求解復(fù)雜的非線性約束優(yōu)化問(wèn)題，對(duì)二級(jí)斜齒圓柱齒輪減速機(jī)的概率可靠性等機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化

設(shè)計(jì)。

3 結(jié)語(yǔ)

基于仿生技術(shù)下的煤礦開(kāi)挖設(shè)備的使用是在機(jī)械應(yīng)用領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性的技術(shù)，同時(shí)在許多行業(yè)中都有著巨大的發(fā)展空間及應(yīng)用價(jià)值。在礦區(qū)機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)程中引入仿生技術(shù)有著明顯的優(yōu)勢(shì)，它在簡(jiǎn)化管理，加強(qiáng)安全監(jiān)控等方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，十分適合我國(guó)煤礦行業(yè)的發(fā)展。在本文中還就仿生科技中的遺傳算法的優(yōu)化方面的內(nèi)容進(jìn)行研究，目的是使得煤礦機(jī)械設(shè)備在使用中更加安全、穩(wěn)定，操作起來(lái)更加人性化，促使煤礦行業(yè)更快、更好的發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：龍金生（1961—），遼寧本溪人，鶴崗斯達(dá)機(jī)電設(shè)備制造有限責(zé)任公司助理工程師，研究方向：機(jī)械工程。endprint