基于5G技術控制的煤礦救援機器人的設計

韓利強

（晉能控股集團 機電設備中心，山西 大同037003）

礦難發(fā)生后,巷道環(huán)境遭到破壞，井下呈現(xiàn)非常復雜的非結構化環(huán)境，井下活動空間受到堆積物限制，并充滿瓦斯等爆炸性氣體。用機器人替代救援人員率先到達救援現(xiàn)場，制定科學的救援方案，是開展科學救援工作的重要發(fā)展方向[1]。針對煤礦救援機器人研發(fā)的重要性和緊迫性，設計了一種基于5G技術控制的煤礦救援機器人[2]，機器人采取5G技術的通信方法，提高了機器人與控制中心之間的傳輸速率；采用以行星輪為特點的運動機構，提高煤礦救援機器人在未知環(huán)境中的垂直越障能力；采用攝像機云臺和氣體檢測儀為監(jiān)測裝置，可以實時回傳井下環(huán)境視頻和有害氣體濃度等情況。

1 機器人整體結構

設計的機器人整體結構是由底盤、攝像機云臺、儲物箱和主控箱等組成，其結構簡單，運行可靠，可以提高機器人通過障礙物和采集井下信息的能力，機器人系統(tǒng)的整體結構如圖1。

1）底盤。機器人底盤采取行星輪履帶式，行星輪履帶底盤主要由基架和主、從動系統(tǒng)等組成。履帶輪的材料可以選用鋁合金材料，這樣可以減輕機器人自重，行星輪結構可有效完成攀爬和越障等各項任務。

2）攝像機云臺。攝像機云臺的底座由旋轉馬達控制，可以實現(xiàn)x軸、y軸、z軸3個方向的運動及旋轉。攝像頭可以實時監(jiān)控井下的情況，并將井下的圖像實時傳回地面，以便救援人員能夠做出準確的決策。

3）儲物箱。儲物箱的材質可以選用優(yōu)質鋁合金，質量輕且強度大。里面可存放食物、水、藥物、氧氣等物品，可以維持被困人員生命，加大被困人員獲救的可能性。

4）控制盒?？刂坪胁馁|可選用優(yōu)質鋁合金，質量輕且耐腐蝕?？刂坪邢喈斢跈C器人的“大腦”，控制機器人的整體運行。

5）危險氣體檢測裝置。選用X-am 5000氣體檢測儀檢測井下氣體類型及其濃度值，該裝置能有效測量氧氣、一氧化碳、瓦斯等氣體的濃度[3]。

6）生命探測裝置。采用熱紅外生命探測儀，可以幫助救援人員在礦井下精準找到被困人員的位置。

2 機器人系統(tǒng)的運動機構

機器人的運動機構采取履帶式行星輪機構，其承載能力大，垂直越障穩(wěn)定性高，尤其適合在結構復雜的礦井中。履帶式行星輪機構三維模型如圖2。

機械結構設計過程中，運動機構需充分利用結構的對稱性和重復性原則[4]。由于機器人4個輪子的結構尺寸相同，所以只需對煤礦救援機器人一側的車輪進行分析即可。結合機器人在井下遇到臺階、陡坡等常見的障礙物，針對垂直高度為550 mm的障礙物，對其中一側車輪進行運動理論分析。救援機器人過障礙物時其中一側車輪的運動幾何關系如圖3。

行星輪機構中行星輪的圓心為O2、O3、O4，太陽輪的圓心為O1。煤礦救援機器人車輪重心到地面的距離h為：

式中：r1為太陽輪的半徑；r2為行星輪的半徑；θ為行星架的夾角。

圖3 運行幾何關系Fig.3 Operating geometric relation

在越障過程中，機器人底盤的長度l為：

式中：m為煤礦救援機器人前后太陽輪圓心的垂直距離；n為煤礦救援機器人前后太陽輪圓心的水平距離。

煤礦救援機器人被動越障時，垂直障礙物與O3O4平行。在機器人越障時，需前輪O1離地高度大于障礙物高度H，即：

為了防止煤礦救援機器人越障時前后輪發(fā)生碰撞，設計時應滿足：

當機器人越障時，前輪O1離地高度q為：

煤礦救援機器人的長度a為：

根據(jù)煤礦救援機器人在井下的實際運行情況，寬度b為：

煤礦救援機器人的高度c為：

其中：r1=250 mm，θ＝120°，障礙物高度H＝550 mm，可得r2＝184mm。當m＝H，時，由式（2）得l＝1 189 mm，又根據(jù)式（4），故取l＝1 300 mm，a＝2416 mm，b＝1 812 mm，c=1019 mm。

垂直越障原理簡圖如圖4。

機器人越障過程如下：煤礦救援機器人以圖4（a）狀態(tài)在路面上運動并靠近障礙物，4個車輪同時旋轉且速度相同；煤礦救援機器人前輪碰到障礙物時（圖4（b）），行星輪以O4為旋轉中心逆時針旋轉，準備被動越障；煤礦救援機器人前輪在越障過渡階段，以前輪與障礙物的接觸點為旋轉中心（圖4（c））；煤礦救援機器人的前輪通過垂直障礙物（圖4（d））；煤礦救援機器人后輪垂直越障的初始階段（圖（e））；煤礦救援機器人后輪碰到障礙物，準備被動越障（圖4（f））；煤礦救援機器人后輪在越障過渡階段（圖4（g））；煤礦救援機器人完成垂直越障（圖4（h））。在越障過程中，加大了履帶與地面的接觸面積,增強了煤礦救援機器人的穩(wěn)定性,同時也使機器人具有較好的越障性能。

3 機器人控制系統(tǒng)

1）主控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)框架如圖5。主控制系統(tǒng)采用模塊化多層次控制結構，主要由主控制子系統(tǒng)、檢測裝置控制子系統(tǒng)、驅動控制子系統(tǒng)、攝像頭控制子系統(tǒng)等構成。當主控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號后，子系統(tǒng)接收信號并獨立對模塊進行控制，子系統(tǒng)也將檢測裝置檢測得到的信息和系統(tǒng)自身的信息傳回主控系統(tǒng)，主控制系統(tǒng)與各子控制系統(tǒng)之間采用5G網(wǎng)絡進行通信，能滿足復雜條件下的控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰猍5]。

2）機器人通信系統(tǒng)?；?G技術控制的煤礦救援機器人的遠程方案架構如圖6，包括機器人、5G基站、邊緣計算服務器、5G通信終端、操控中心等相關控制設備。利用5G網(wǎng)絡的大帶寬、低時延特點，可將實時視頻流和檢測信息及時回傳至操控中心，同時操控中心通過5G網(wǎng)絡可向機器人控制系統(tǒng)發(fā)送控制指令，大大提高了機器人與控制中心之間的傳輸速率，實時監(jiān)控井下環(huán)境，為救援人員提供準確的救援信息，提高救援效率[6]?？刂菩盘杺鬏斣恚焊鶕?jù)機器人在現(xiàn)場采集并回傳視頻，救援人員在操控中心遠程遙控，通過5G網(wǎng)絡將控制信號發(fā)送給遠端井下的機器人[7－10]。機器人上裝有5G通信模塊，通過5G網(wǎng)絡接收遠端操控中心的控制信號，再通過MU動作執(zhí)行單元，將IP信號轉換為機器人的現(xiàn)場總線信號，通過機器人現(xiàn)場總線控制機器人進行一系列動作。同時，傳感器檢測的信息將通過5G網(wǎng)絡傳輸遠端操控中心，操控中心收到井下信息后在大屏幕上進行顯示，人機交互，使救援行動更加快速、高效。

圖6 遠程控制機器人組網(wǎng)圖Fig.6 Networking diagram of remote control robot

3）5G通信網(wǎng)絡?？刂葡到y(tǒng)需要建設2套NSA 5G基站，機器人和遠端控制中心的通信方式采用5G網(wǎng)絡。為了降低通信信號傳輸?shù)臅r間延遲，控制系統(tǒng)采用移動邊緣計算MEC服務器，將核心網(wǎng)用戶面（GW－U）下沉，機器人的通信信號將不用繞行至核心機房，直接在MEC進行發(fā)送，進而降低了傳輸過程中的時間延遲。無線網(wǎng)建設方案：在井下和遠程操控中心各建設1套5G基站，采用NSA組網(wǎng)和對接核心網(wǎng)；采用FDD1800錨點，錨點頻率為1 835～1 840，5G采用3.5 GHz。BBU采用4G/5G共框模式，配置4G和5G射頻模塊，其中5G為天線和射頻一體化模塊AAU5613；4G采用1800MHz RRU5909，配套建設1副天線。

4 結 語

救援機器人代替救援人員對事故礦井進行環(huán)境監(jiān)測，已成為當今開展科學救援工作的重要發(fā)展方向。因設計了一種基于5G技術遠程控制系統(tǒng)和行星輪履帶式運動系統(tǒng)的煤礦救援機器人，通過接入多種傳感器、深度攝像頭，使得該系統(tǒng)具備多種信息采集能力，該設計具有較高的性價比，能使救援人員能夠更全面、準確地判定煤礦內部狀態(tài)，進行精準、高效援救。