基于虛擬現(xiàn)實(shí)的礦井救援機(jī)器人遠(yuǎn)程控制技術(shù)

李 明

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

由于礦井井下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)十分的復(fù)雜，開采作業(yè)時(shí)的工作環(huán)境十分惡劣。隨著近幾年國家制定的一系列解決措施的不斷落實(shí)，雖然在一定程度上減輕了礦井事故給人們帶來的危害程度，但是事實(shí)上我國仍存在著水災(zāi)和瓦斯突發(fā)狀況引起的眾多礦井施工事故。并且由于礦井事故突具有發(fā)性和繼發(fā)性的惡劣特性，在世界范圍內(nèi)，人們?cè)絹碓街匾晫?duì)礦井事故的防治和救援工作，尤其在礦難后的救援體系方面，人們提出了很多具有現(xiàn)實(shí)意義的可行方案。并且針對(duì)傳統(tǒng)救援過程中出現(xiàn)的救援周期長、救援工作環(huán)境惡劣等問題進(jìn)行了一系列可行性措施的探究和分析。為了避免事故頻繁發(fā)生致使礦井工人的生命安全受到嚴(yán)重的威脅，本文將詳細(xì)介紹基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）的礦井救援機(jī)器人遠(yuǎn)程操控技術(shù)，希望對(duì)事故防治和救援工作研究提供一定的參考。

1 運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的礦井救援機(jī)器人遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)

運(yùn)用VR技術(shù)生產(chǎn)的礦井救援機(jī)器人遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)是通過VR仿真平臺(tái)、遠(yuǎn)程操控通信系統(tǒng)以及監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)三者相結(jié)合實(shí)現(xiàn)的一種新型技術(shù)。以下為VR礦井救援機(jī)器人遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)的基本工作原理：這種機(jī)器人的具體工作原理是借助礦井設(shè)計(jì)圖紙對(duì)井下地圖數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的。首先需要在初始地圖上針對(duì)救援機(jī)器人進(jìn)行定位，然后操作機(jī)器人進(jìn)行井下移動(dòng)動(dòng)作，進(jìn)而利用VR仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的有效工作。通過在救援機(jī)器人裝置上安裝測(cè)距儀等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井機(jī)器人四周環(huán)境信息的實(shí)時(shí)接收，融合傳感器的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，運(yùn)用動(dòng)態(tài)建模技術(shù)能夠?qū)ο锏赖木植课恢眠M(jìn)行建模。可以根據(jù)機(jī)器人的虛擬樣機(jī)狀態(tài)來制訂可行的控制策略，并且在運(yùn)行的過程中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)救助機(jī)器人的控制器進(jìn)行路徑修改和修正，以達(dá)到在復(fù)雜的位置環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行決策和輔助的目的，進(jìn)而促進(jìn)礦井下救援工作的平穩(wěn)進(jìn)行。

2 依托VR技術(shù)礦井救援機(jī)器人的具體遠(yuǎn)程操作方法

為了能夠有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)VR礦井救援機(jī)器人的遠(yuǎn)程操控，并且建立機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制模型，增強(qiáng)虛擬仿真的效果，可以依照礦井下巷道的具體布局創(chuàng)建原始的巷道。挺尸通過建立仿真機(jī)器人模型能夠有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬仿真運(yùn)動(dòng)效果的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，運(yùn)用傳感器的數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確定位礦井救援機(jī)器人的位置，當(dāng)發(fā)生礦井意外時(shí)，就可以根據(jù)系統(tǒng)的傳感器測(cè)得的信息對(duì)井下坍塌情況進(jìn)行反饋，有助于根據(jù)實(shí)際情況來制訂控制的方法策略，能夠大幅度的提升礦井下進(jìn)行救援工作的效率。

（1）救援機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制模型。在遠(yuǎn)程控制礦井救援機(jī)器人進(jìn)行井下救援工作時(shí)，第一步需要先建立一個(gè)機(jī)器運(yùn)動(dòng)軌跡的控制模型，通過運(yùn)用履帶單元控制機(jī)器人的移動(dòng)行為，協(xié)調(diào)機(jī)器人的單擺臂運(yùn)動(dòng)能夠控制機(jī)器人施行抬舉和放下的運(yùn)動(dòng)，從而促進(jìn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的調(diào)整。在建立VR仿真機(jī)器人模型時(shí)，需要通過建立一個(gè)機(jī)器人的控制坐標(biāo)系，基于巷道的走向來建立局部的靜態(tài)坐標(biāo)系，運(yùn)用救援機(jī)器人攜帶的傳感裝置收集到的具體數(shù)據(jù)可以確定機(jī)器人在巷道中的位置，在機(jī)器人的中心位置建立坐標(biāo)系有助于促進(jìn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制工作。

（2）救援機(jī)器人的遠(yuǎn)程操控。在礦井救援機(jī)器人在井下依托VR仿真平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，操作人員可以根據(jù)虛擬樣機(jī)的仿真運(yùn)動(dòng)，通過遠(yuǎn)程控制做出判斷和決策行為。針對(duì)機(jī)器人裝置的傳感器所收集到的一系列數(shù)據(jù)，可以對(duì)機(jī)器人的虛擬樣機(jī)位置和具體運(yùn)行姿態(tài)進(jìn)行操控。

通過保持機(jī)器人和虛擬樣機(jī)之間的一致性，能夠?qū)崿F(xiàn)通過遠(yuǎn)程操控平臺(tái)使虛擬樣機(jī)代替礦井下的救援機(jī)器人作為操控對(duì)象，操控人員可以對(duì)虛擬樣機(jī)的具體狀態(tài)進(jìn)行控制和判斷，從而完成移動(dòng)軌跡的規(guī)劃工作，并有序執(zhí)行預(yù)設(shè)指令。除此之外，通過觀察仿真圖像能夠促進(jìn)遠(yuǎn)程操控的可靠程度，提高救援機(jī)器人的工作效率。

（3）礦井救援機(jī)器人的應(yīng)急通信方案。VR救援機(jī)器人是以無線通信模塊為技術(shù)支持來實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹Ｓ捎诘V井下的地質(zhì)環(huán)境十分復(fù)雜和惡劣，一般情況下通信信號(hào)十分微弱，會(huì)導(dǎo)致通信受阻。針對(duì)這種情況可以采用以下措施進(jìn)行應(yīng)急處理：①首先當(dāng)遠(yuǎn)程操縱救援機(jī)器人下入礦井時(shí)，應(yīng)為其裝置多個(gè)中繼器，這樣在井下的地理環(huán)境和信息狀況可行的狀態(tài)下，可以解決通信網(wǎng)絡(luò)斷點(diǎn)的問題。②通過在指定的規(guī)劃位置推出無線中繼器能夠?qū)崿F(xiàn)恢復(fù)、延續(xù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的有效搭設(shè)。③無線通信中繼器能夠在復(fù)雜的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)通信節(jié)點(diǎn)的有效布置工作，同時(shí)能夠有助于通信信道鏈的安全延長。

（4）救援機(jī)器人的顯示技術(shù)和定位技術(shù)。在對(duì)救援機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程操控的過程當(dāng)中，需要實(shí)時(shí)對(duì)機(jī)器人的位置進(jìn)行確定，在機(jī)器人集體上安裝編碼器、傳感器和測(cè)距儀有助于對(duì)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)主動(dòng)定位，并且通過測(cè)距儀、超聲傳感器等裝置能夠有效實(shí)現(xiàn)被動(dòng)定位。依托多種數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)以位置坐標(biāo)的形式反映機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)情況，將機(jī)器人的位置坐標(biāo)顯示在虛擬樣機(jī)上的同時(shí)也可以顯示它的旋轉(zhuǎn)角度，從而對(duì)救援機(jī)器人施行無誤定位。這樣有效保證了即使在復(fù)雜的工況之下也可以對(duì)救援機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程人工干預(yù)和輔助決策，增強(qiáng)對(duì)機(jī)器人定位的可靠程度。

（5）實(shí)施救援工作場地的動(dòng)態(tài)建模技術(shù)。在礦井下發(fā)生意外事故時(shí)，井下的地質(zhì)條件將會(huì)變得更加復(fù)雜。并且由于隨時(shí)都可能發(fā)生二次毀壞的情況，井下救援環(huán)境可能會(huì)更加多變和不可控。因此當(dāng)救援機(jī)器人進(jìn)入地下礦井實(shí)施救援工作時(shí)，可以將通過機(jī)器人身上攜帶的測(cè)距儀以及傳感器接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析運(yùn)算，依照所得結(jié)果畫出機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中遭遇障礙物的軌跡，基于軌跡路徑可以實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)程操控平臺(tái)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模工作，從而促進(jìn)救援工作效率提升。

3 總結(jié)

本文針對(duì)基于虛擬仿真技術(shù)的礦井救援機(jī)器人進(jìn)行了詳細(xì)的介紹了分析，有效地證實(shí)應(yīng)用此類VR救援機(jī)器人能夠有效地提升地下礦井救援工作的效率，同時(shí)也進(jìn)一步證實(shí)了我國VR技術(shù)研究工作卓有成效，真正意義上便利了人們的生活、提高了人們的工作效率，并且促進(jìn)了防治礦井事故工作的有效進(jìn)行，在技術(shù)上很大程度上實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)同步和人機(jī)協(xié)同操控的目標(biāo)，較傳統(tǒng)技術(shù)支持下的救援機(jī)器人具有優(yōu)越性和先進(jìn)性，值得進(jìn)一步優(yōu)化和廣泛推廣使用。