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）

礦難發生后,巷道環境遭到破壞，井下呈現非常復雜的非結構化環境，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場，制定科學的救援方案，是開展科學救援工作的重要發展方向[1]。針對煤礦救援機器人研發的重要性和緊迫性，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境中的垂直越障能力；采用攝像機云臺和氣體檢測儀為監測裝置，可以實時回傳井下環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x軸、y軸、z軸3個方向的運動及旋轉。攝像頭可以實時監控井下的情況，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。控制盒材質可選用優質鋁合金，質量輕且耐腐蝕。控制盒相當于機器人的“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

1）主控制系統。控制系統框架如圖5。主控制系統采用模塊化多層次控制結構，主要由主控制子系統、檢測裝置控制子系統、驅動控制子系統、攝像頭控制子系統等構成。當主控制系統發出控制信號后，子系統接收信號并獨立對模塊進行控制，子系統也將檢測裝置檢測得到的信息和系統自身的信息傳回主控系統，主控制系統與各子控制系統之間采用5G網絡進行通信，能滿足復雜條件下的控制和數據傳輸的需要[5]。

2）機器人通信系統。基于5G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網絡可向機器人控制系統發送控制指令，大大提高了機器人與控制中心之間的傳輸速率，實時監控井下環境，為救援人員提供準確的救援信息，提高救援效率[6]。控制信號傳輸原理：根據機器人在現場采集并回傳視頻，救援人員在操控中心遠程遙控，通過5G網絡將控制信號發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網絡接收遠端操控中心的控制信號，再通過MU動作執行單元，將IP信號轉換為機器人的現場總線信號，通過機器人現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圖Fig.6 Networking diagram of remote control robot

3）5G通信網絡。控制系統需要建設2套NSA 5G基站，機器人和遠端控制中心的通信方式采用5G網絡。為了降低通信信號傳輸的時間延遲，控制系統采用移動邊緣計算MEC服務器，將核心網用戶面（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進行發送，進而降低了傳輸過程中的時間延遲。無線網建設方案：在井下和遠程操控中心各建設1套5G基站，采用NSA組網和對接核心網；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境監測，已成為當今開展科學救援工作的重要發展方向。因設計了一種基于5G技術遠程控制系統和行星輪履帶式運動系統的煤礦救援機器人，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，進行精準、高效援救。