韓利強(qiáng)

（晉能控股集團(tuán) 機(jī)電設(shè)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(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，井下活動(dòng)空間受到堆積物限制，并充滿瓦斯等爆炸性氣體。用機(jī)器人替代救援人員率先到達(dá)救援現(xiàn)場(chǎng)，制定科學(xué)的救援方案，是開(kāi)展科學(xué)救援工作的重要發(fā)展方向[1]。針對(duì)煤礦救援機(jī)器人研發(fā)的重要性和緊迫性，設(shè)計(jì)了一種基于5G技術(shù)控制的煤礦救援機(jī)器人[2]，機(jī)器人采取5G技術(shù)的通信方法，提高了機(jī)器人與控制中心之間的傳輸速率；采用以行星輪為特點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，提高煤礦救援機(jī)器人在未知環(huán)境中的垂直越障能力；采用攝像機(jī)云臺(tái)和氣體檢測(cè)儀為監(jiān)測(cè)裝置，可以實(shí)時(shí)回傳井下環(huán)境視頻和有害氣體濃度等情況。

1 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)是由底盤(pán)、攝像機(jī)云臺(tái)、儲(chǔ)物箱和主控箱等組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，可以提高機(jī)器人通過(guò)障礙物和采集井下信息的能力，機(jī)器人系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1。

1）底盤(pán)。機(jī)器人底盤(pán)采取行星輪履帶式，行星輪履帶底盤(pán)主要由基架和主、從動(dòng)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(jī)器人自重，行星輪結(jié)構(gòu)可有效完成攀爬和越障等各項(xiàng)任務(wù)。

2）攝像機(jī)云臺(tái)。攝像機(jī)云臺(tái)的底座由旋轉(zhuǎn)馬達(dá)控制，可以實(shí)現(xiàn)x軸、y軸、z軸3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)及旋轉(zhuǎn)。攝像頭可以實(shí)時(shí)監(jiān)控井下的情況，并將井下的圖像實(shí)時(shí)傳回地面，以便救援人員能夠做出準(zhǔn)確的決策。

3）儲(chǔ)物箱。儲(chǔ)物箱的材質(zhì)可以選用優(yōu)質(zhì)鋁合金，質(zhì)量輕且強(qiáng)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。控制盒材質(zhì)可選用優(yōu)質(zhì)鋁合金，質(zhì)量輕且耐腐蝕?？刂坪邢喈?dāng)于機(jī)器人的“大腦”，控制機(jī)器人的整體運(yùn)行。

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

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

2 機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采取履帶式行星輪機(jī)構(gòu)，其承載能力大，垂直越障穩(wěn)定性高，尤其適合在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的礦井中。履帶式行星輪機(jī)構(gòu)三維模型如圖2。

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)需充分利用結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性和重復(fù)性原則[4]。由于機(jī)器人4個(gè)輪子的結(jié)構(gòu)尺寸相同，所以只需對(duì)煤礦救援機(jī)器人一側(cè)的車(chē)輪進(jìn)行分析即可。結(jié)合機(jī)器人在井下遇到臺(tái)階、陡坡等常見(jiàn)的障礙物，針對(duì)垂直高度為550 mm的障礙物，對(duì)其中一側(cè)車(chē)輪進(jìn)行運(yùn)動(dòng)理論分析。救援機(jī)器人過(guò)障礙物時(shí)其中一側(cè)車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)幾何關(guān)系如圖3。

行星輪機(jī)構(gòu)中行星輪的圓心為O2、O3、O4，太陽(yáng)輪的圓心為O1。煤礦救援機(jī)器人車(chē)輪重心到地面的距離h為：

式中：r1為太陽(yáng)輪的半徑；r2為行星輪的半徑；θ為行星架的夾角。

圖3 運(yùn)行幾何關(guān)系Fig.3 Operating geometric relation

在越障過(guò)程中，機(jī)器人底盤(pán)的長(zhǎng)度l為：

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

煤礦救援機(jī)器人被動(dòng)越障時(shí)，垂直障礙物與O3O4平行。在機(jī)器人越障時(shí)，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(jī)器人越障時(shí)前后輪發(fā)生碰撞，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足：

當(dāng)機(jī)器人越障時(shí)，前輪O1離地高度q為：

煤礦救援機(jī)器人的長(zhǎng)度a為：

根據(jù)煤礦救援機(jī)器人在井下的實(shí)際運(yùn)行情況，寬度b為：

煤礦救援機(jī)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(dāng)m＝H，時(shí)，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(jiǎn)圖如圖4。

機(jī)器人越障過(guò)程如下：煤礦救援機(jī)器人以圖4（a）狀態(tài)在路面上運(yùn)動(dòng)并靠近障礙物，4個(gè)車(chē)輪同時(shí)旋轉(zhuǎn)且速度相同；煤礦救援機(jī)器人前輪碰到障礙物時(shí)（圖4（b）），行星輪以O(shè)4為旋轉(zhuǎn)中心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，準(zhǔn)備被動(dòng)越障；煤礦救援機(jī)器人前輪在越障過(guò)渡階段，以前輪與障礙物的接觸點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心（圖4（c））；煤礦救援機(jī)器人的前輪通過(guò)垂直障礙物（圖4（d））；煤礦救援機(jī)器人后輪垂直越障的初始階段（圖（e））；煤礦救援機(jī)器人后輪碰到障礙物，準(zhǔn)備被動(dòng)越障（圖4（f））；煤礦救援機(jī)器人后輪在越障過(guò)渡階段（圖4（g））；煤礦救援機(jī)器人完成垂直越障（圖4（h））。在越障過(guò)程中，加大了履帶與地面的接觸面積,增強(qiáng)了煤礦救援機(jī)器人的穩(wěn)定性,同時(shí)也使機(jī)器人具有較好的越障性能。

3 機(jī)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(jié)構(gòu)，主要由主控制子系統(tǒng)、檢測(cè)裝置控制子系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)控制子系統(tǒng)、攝像頭控制子系統(tǒng)等構(gòu)成。當(dāng)主控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào)后，子系統(tǒng)接收信號(hào)并獨(dú)立對(duì)模塊進(jìn)行控制，子系統(tǒng)也將檢測(cè)裝置檢測(cè)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(luò)進(jìn)行通信，能滿足復(fù)雜條件下的控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰猍5]。

2）機(jī)器人通信系統(tǒng)?；?G技術(shù)控制的煤礦救援機(jī)器人的遠(yuǎn)程方案架構(gòu)如圖6，包括機(jī)器人、5G基站、邊緣計(jì)算服務(wù)器、5G通信終端、操控中心等相關(guān)控制設(shè)備。利用5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬、低時(shí)延特點(diǎn)，可將實(shí)時(shí)視頻流和檢測(cè)信息及時(shí)回傳至操控中心，同時(shí)操控中心通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)可向機(jī)器人控制系統(tǒng)發(fā)送控制指令，大大提高了機(jī)器人與控制中心之間的傳輸速率，實(shí)時(shí)監(jiān)控井下環(huán)境，為救援人員提供準(zhǔn)確的救援信息，提高救援效率[6]?？刂菩盘?hào)傳輸原理：根據(jù)機(jī)器人在現(xiàn)場(chǎng)采集并回傳視頻，救援人員在操控中心遠(yuǎn)程遙控，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)將控制信號(hào)發(fā)送給遠(yuǎn)端井下的機(jī)器人[7－10]。機(jī)器人上裝有5G通信模塊，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)接收遠(yuǎn)端操控中心的控制信號(hào)，再通過(guò)MU動(dòng)作執(zhí)行單元，將IP信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)器人的現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)，通過(guò)機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)總線控制機(jī)器人進(jìn)行一系列動(dòng)作。同時(shí)，傳感器檢測(cè)的信息將通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)傳輸遠(yuǎn)端操控中心，操控中心收到井下信息后在大屏幕上進(jìn)行顯示，人機(jī)交互，使救援行動(dòng)更加快速、高效。

圖6 遠(yuǎn)程控制機(jī)器人組網(wǎng)圖Fig.6 Networking diagram of remote control robot

3）5G通信網(wǎng)絡(luò)?？刂葡到y(tǒng)需要建設(shè)2套NSA 5G基站，機(jī)器人和遠(yuǎn)端控制中心的通信方式采用5G網(wǎng)絡(luò)。為了降低通信信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間延遲，控制系統(tǒng)采用移動(dòng)邊緣計(jì)算MEC服務(wù)器，將核心網(wǎng)用戶面（GW－U）下沉，機(jī)器人的通信信號(hào)將不用繞行至核心機(jī)房，直接在MEC進(jìn)行發(fā)送，進(jìn)而降低了傳輸過(guò)程中的時(shí)間延遲。無(wú)線網(wǎng)建設(shè)方案：在井下和遠(yuǎn)程操控中心各建設(shè)1套5G基站，采用NSA組網(wǎng)和對(duì)接核心網(wǎng)；采用FDD1800錨點(diǎn)，錨點(diǎn)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(shè)1副天線。

4 結(jié) 語(yǔ)

救援機(jī)器人代替救援人員對(duì)事故礦井進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，已成為當(dāng)今開(kāi)展科學(xué)救援工作的重要發(fā)展方向。因設(shè)計(jì)了一種基于5G技術(shù)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和行星輪履帶式運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的煤礦救援機(jī)器人，通過(guò)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(shè)計(jì)具有較高的性?xún)r(jià)比，能使救援人員能夠更全面、準(zhǔn)確地判定煤礦內(nèi)部狀態(tài)，進(jìn)行精準(zhǔn)、高效援救。