基于多足爬墙机器人平台的桥梁裂缝检测方法研究

2021-06-27胡菊英黄吉桂

运输经理世界 2021年33期

胡菊英、黄吉桂

（1.吉林省长春市富华龙建设工程有限公司，吉林长春130114；2.广东合众路桥科技股份有限公司，广东广州 511400)

0 引言

为加快区域联系，厚植发展优势，近些年来，我国加大了交通网络的开发建设力度，投入大量资源进行道路、桥梁的施工建设，逐步形成完备的交通网络体系[1]。根据相关部门公布的数据，2021年桥梁数量超过80 万座，桥梁的建成与投入使用，有效搭建起区域之间空间联系，降低出行成本，缩短出行时间。考虑到桥梁特殊的结构组成，使用过程中出现裂缝的概率较高，为应对这种情况，无疑需要相关技术团队做好桥梁裂缝日常检测以及处置等系列工作，以确保桥梁裂缝危害可控，保证桥梁正常使用。

1 多足爬墙机器人概述

通过对多足爬墙机器人技术构成以及主要技术特性的梳理，技术人员从整体层面形成正确的技术认知，逐步理顺多足爬墙机器人运动特性，为后续其在桥梁裂缝检测环节的应用提供了方向性引导。

多足爬墙机器人作为目前成熟的机器人技术形态，从结构组成来看，主要包括机器人本体结构、真空吸附装置以及控制系统等模块[2]。多足爬墙机器人由于使用环境较为特殊，需要在不同平面间进行转换，处于运动能力以及适应能力的考量，现阶段多足爬行机器人除了需要装配电动机提供驱动力之外，对于爬行结构也应做好必要的细化处理，确保多足爬墙机器人可以胜任各类工作任务。在这一思路的指导下，多足爬墙机器人主要采取六足结构，采取腿、摆动腿以及支撑腿、踝关节、膝关节、髋关节等仿真结构，在真空吸盘的辅助下，使得多足爬墙机器人可以通过腿部动作，灵活翻越不同的平面，并固定在预定的位置，开展系列工作任务。

2 多足爬墙机器人在桥梁裂缝检测中应用的必要性

桥梁裂缝检测工作体量大、任务强度高，基于提升桥梁裂缝检测效率，管控工作难度，降低检测成本的整体考量，越来越多的技术团队转换思路，将多足爬墙机器人纳入桥梁裂缝检测环节，旨在借助其设备性能与技术优势，实现桥梁裂缝检测模式有效转型。

2.1 现阶段桥梁裂缝检测基本现状

桥梁对于交通运输能力的提升有着深远影响，为保证桥梁整体运行状态，不仅需要从结构设计、施工角度出发，开展系统性的项目作业，以保证桥梁整体结构的稳定性，减少结构性病害，更需要专业技术团队在桥梁使用过程中，定期进行检测评估，开展维护与管理工作。我国桥梁总量巨大，部分桥梁由于施工较早等因素，出现了结构退化、超负荷运营等问题，严重影响了交通通行效率与公众安全。裂缝作为桥梁结构发生频率较高的病害，如果没有采取必要措施加以处理应对，极易诱发更为严重的安全问题。出于这种内在的逻辑联系，相关团队在桥梁管理维护工作中，往往将裂缝作为首要的检测对象，通过桥梁结构裂缝捕捉以及评估，掌握桥梁结构的真实状态[3]。

基于这种实际，各地区加大对桥梁裂缝的管理力度，通过人工干预的方式，减缓桥梁结构退化的速度，增强结构整体强度，延长使用服务寿命。例如，桥梁裂缝检测过程中，主要采用三种方式：

一是人工检测，定期组织检测人员进入桥梁相关区域，获取结构信息，评估裂缝状态。

二是安装检测装置实时检测，技术团队根据桥梁裂缝检测要求，提前进入桥梁区域，在相关位置安装检测装置，实时检测桥梁结构状态。从20世纪80年代开始，欧美一些国家在较长的一段时间内，主要采取这种检测技术模式，对桥梁的温度、位移以及裂缝等情况开展追踪，依据追踪数据，开展桥梁维护管理。

三是引入检测机器人，利用运动能力、图像获取能力，对桥梁整体结构开展评估，掌握裂缝位置、深度、长度等信息数据。借助多元化的桥梁检测手段，在很大程度上满足了桥梁维护管理工作基本要求，对于桥梁良好服务状态的维持有着极大裨益。

2.2 多足爬墙机器人桥梁裂缝检测技术的优势

多足爬墙机器人作为目前桥梁检测自动化技术的主要构成，凭借自身的结构优势、运动优势、数据获取优势，在很大程度上，满足了不同场景下，桥梁结构裂缝检测要求，实现了检测工作的科学化、检测内容的完整化以及检测体系的完备化，有效弥补了过往桥梁检测工作中存在的不足，促进了现有桥梁裂缝检测工作模式的转型。

多足爬墙体机器人可以翻越不同的地形阻碍，实现运动状态有效转换，表现出较强的实用属性，通过其技术优势的充分发挥，有效实现了桥梁裂缝检测工作的自动化、裂缝检测流程的便捷化以及检测成本的可控化，较好地满足桥梁结构日常维护管理工作的系列要求。

例如六足爬墙机器人在腿部结构设计方案更为细致，采取了仿真处理，增设了髋关节、踝关节等结构，全面提升运动过程中，六足爬墙机器人的灵活性，并且在相应的区域设置了电动马达系统，强化自身的攀爬能力，确保六足爬墙机器人可以顺利通过不同的空间障碍，快速达到指定观察区域。同时，六足爬墙机器人具备高精度的视觉系统、图片处理系统，通过自身运动能力的辅助，六足爬墙机器人可以快速进入到检测区域，利用图像获取设备获取桥梁底面、侧面图片资料，评估裂缝发育程度。多足爬墙机器人在实际应用过程中表现出的技术优势，无疑可以减少检测团队的工作压力，提升工作效率，使得检测团队可以在较短的时间内迅速完成各项桥梁裂缝检测任务。

多足爬墙机器人还局内远程操控能力以及较强的学习能力，因此整体安全系数较高，检测团队可以借助相关操作终端，通过远距离遥控的方式，完成检测机器人的操控，无形之中，降低了安全风险。

与传统的桥梁底面检测手段相比，检测机器人系统不仅检测精度较高，还可以有效管控检测成本，减少不必要的费用支出，避免额外成本的发生。基于多足爬墙机器人在桥梁裂缝检测方面的技术优势，越来越多的技术团队将其引入桥梁裂缝检测工作之中，强调通过技术的升级以及设备转换，全面提升检测成效，推动后续桥梁维护管理等系列工作的有序开展。

3 多足爬墙机器人在桥梁裂缝检测中的应用路径

多足爬行机器人在桥梁裂缝检测中的应用，需要兼顾检测可行性与精准性，通过硬件组建、软件升级以及算法设计等路径手段，全面提升多足爬行机器人对于桥梁缝隙识别能力与设备可操作性。

3.1 多足爬墙机器人硬件构建方案

3.1.1 多足爬墙机器人运动结构设计

为持续提升多足爬墙机器人对于裂缝检测的灵活性与自主性，发挥多足爬墙机器人平台载体作用，实现对桥梁结构无损检测，技术人员在实际的技术应用环节，需要重视起硬件系统，通过对本体结构、真空吸附结构等核心装备的优化设置，全面增强多足爬墙机器人攀爬能。硬件构建环节，可以充分吸取现有经验，对运动结构做出适当地调整，增加髋关节、膝关节以及踝关节等，以运动结构的设立，保证整个爬墙机器人的运动自由度，考虑到多足爬墙机器人往往需要在某一区间范围内停留较长时间，连续获取桥梁结构的相关资料，这就要求多足爬墙机器人在运动结构设计环节，应当将足部关节铰链与真空吸盘进行组合，全面提升多足爬墙机器人滞空能力。由于多足爬墙机器人需要搭载各类检测仪器以及图像获取设备，相关设备重量较大，为了保证动力输出，往往需要使用较大功率的交流电机，将其作为驱动装置，实现多足爬墙机器人平稳运行，考虑到整个机器人运动灵活度，每个关节的驱动电机都应当可以独立运动，使得多足爬墙机器人可以克服桥梁结构对于裂缝检测工作的影响。以某型号多足爬墙机器人为例，研发过程中，技术人员在综合各类要素的前提下，选用了功率为100W 的松下MSMD012GIV 驱动电机，该电机额定扭矩为0.32N· m，转换效率达到了90%。同时，在关节区域增设了加速器以及减速器等模块组件，通过灵活调控运行速度，增强多足爬墙机器人运动能力[4]。

3.1.2 多足爬墙机器人真空吸附装置设计

真空吸附装置作为整个多足爬墙机器人的核心构成，在硬件系统搭建环节，需要认真做好真空发生器与真空吸盘的选型、调试等系列工作。依据现有的经验，真空吸附方式主要包括电磁吸附、真空吸附两种，两种吸附方式，适应了不同场景下的技术使用需求，在实际技术应用环节，技术团队需要结合过往真空吸附装置设计、应用有关经验，认真做好真空吸附装置优化提升工作。

具体来看，由于桥梁结构表面较为粗糙，多足爬墙机器人在开展各项任务中，往往需要依靠强大吸引力，才能够将多足爬墙机器人附着在桥梁相关位置，开展系统性裂缝评估以及检测，技术人员利用采压直流驱动隔膜泵作为真空发生器，这一设备的优势在于，其噪音等级较低、真空环境制造效率较快，并且气密性较好，有效满足现阶段真空装置的使用需求。采压直流驱动隔膜泵使用环节，技术人员还需要针对性地做好设备参数调试工作，通过参数针对性调整，全面提升采压直流驱动隔膜泵运行质量，确保其可以充分满足多足爬墙机器人对于真空环境使用需求。

除了做好真空吸附装置选型以及参数调整之外，还需要对真空吸盘做好优化，从设备运行角度来看，真空吸盘主要利用环境压力将多足爬墙机器人固定在桥梁底部或者侧面等位置，当吸盘与桥梁结构接触时，吸盘与外部环境之间形成较为密封空间，当多足爬墙机器人需要继续运动时，向真空吸盘内注入空气，吸盘内外气压差减少，机器人可以接受操作指令，沿着设定路线进入到指定位置。考虑到多足爬墙机器人自重较大，在真空吸盘的处理过程中，需要对吸盘材质做好选择，避免材质选择不恰当影响真空吸盘的使用寿命[5]。基于这种认知，技术人员可以在真空吸盘边缘位置涂覆泡沫型柔性材料，利用材料优势，确保真空吸盘适应粗糙度较高的桥梁裂缝检测环节。除了做好上述技术处理之外，多足爬墙机器人的足部与吸盘的连接区域，为了控制吸盘与桥梁底部、侧壁间隙，采用万向节连接结构，借助必要的结构优化，可以使得多足爬墙机器人在倾斜结构中，灵活调整吸盘、桥梁结构与机器人足部之间的空间关系，迎合桥梁壁面的倾斜度，将二者之间的间隙控制在有效范围内，切实保障多足爬墙机器人结构稳定性。

3.1.3 多足爬墙机器人控制系统设计方案

多足爬墙机器人控制系统设计过程中，为了提升系统自身的可控性，适应复杂的环境，需要做好传感器数据的融合，采取ARM+DSP 控制框架，形成分散化控制模式。在这一思路指导下，技术人员将主控制器、总线控制器、真空传感器、桥梁检测仪器、驱动器、光电编码器、安全阀、吸盘以及无线网络适配器作为主要系统要素进行技术层面的串联，使得多足爬墙机器人在地面监测站的指挥下，可以高效驱动电机、真空电磁阀、安全阀等设备，改变多足爬墙机器人运行状态，进入制定的检测区域进行检测作业。同时借助控制器介入桥梁检测仪、真空传感器，使得多足爬墙机器人可以快速开展桥梁裂缝评估工作，全面增强机器人工作成效，持续提升桥梁检测水平。

3.2 多足爬墙机器人软件优化方案

多足爬墙机器人软件优化主要从控制器软件设计以及后台监测站软件设计两个层面入手，实现多足爬墙机器人运行前台与检测后台之间数据的有效联动，更好地提升数据处理能力。多足爬墙机器人运转过程中，为确保技术应用成效，应当从实践角度出发，将机器视觉系统作为切入点，从拍摄图像中获取桥梁底面裂缝的相关情况，以精准评估桥梁状态。根据过往经验来看，机器视觉系统由可充电摄像机、数码录像机以及视觉处理系统组成，依托这种技术模块构成，检测机器人可以快速完成桥梁地面裂缝的分析工作，实际处理环节，利用相应的软件程序，对桥梁底面裂缝图像获取后，开展必要的图像信息前期处理程序，依托相关技术算法对获取到的各类图片开展降噪，通过噪点的处理，真实还原桥梁裂缝基本情况，在上述工作的基础上，开展裂缝检测、长度检查以及宽度计算等相关工作，在拼接技术的支持下，形成桥梁底部全景图片，将全景图片信息转化桥梁管理系统信息，便于后续桥梁底面裂缝处理工作的有序开展。

除了做好上述技术处理之外，还可以利用系统自身的数据分析能力，做好桥梁底面裂缝追踪与检测等系列工作。从过往经验来看，桥梁底面裂缝的追踪分析在多种软件技术的驱动下，技术人员可以在较短的时间内完成不同数据的共享以及分析。多足爬墙机器人算法，通过系统化的算法处理，工作人员可以在较短的时间内，快速完成系列桥梁裂缝评估等工作，通过评估处理，技术人员可以在最短时间内，快速作出反应，实现桥梁裂缝的科学高效处置，推动桥梁项目维护管理工作的有序开展。