跨海斜拉索大橋自爬行機(jī)器人研究及應(yīng)用

徐懋剛

（寧波交通工程建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315000）

1 引言

斜拉橋的拉索長期暴露在空氣中，在風(fēng)吹、日曬、雨淋等各種環(huán)境因素的影響下，其表面會出現(xiàn)不同程度的腐蝕、開裂和內(nèi)部鋼絲斷裂的現(xiàn)象，將影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全。為了降低纜索的不確定破壞而造成的損失，定期對纜索進(jìn)行內(nèi)外部檢測、涂裝或修復(fù)，改善大橋的使用安全和外觀是十分必要的。

目前，中國對拉索的檢測主要有以下幾種方式：人工目測法、搭設(shè)支架法、卷揚機(jī)探傷法、采用吊籃檢測維護(hù)，以上4 種方式檢查效率低下，費時費力，且檢測成本高，在人工操作過程中，登高存在極大的安全隱患，風(fēng)險大。近年來，中國逐漸開始研究斜拉索檢測機(jī)器人，成功研制了采用電驅(qū)動式、氣動蠕動式兩種纜索機(jī)器人樣機(jī)，并且在上海徐浦大橋和南浦大橋上進(jìn)行了試驗。然而，這兩種試驗樣機(jī)都比較笨重，體積大，重量都在150 kg 以上，安裝調(diào)試不方便。在寧波象山港大橋斜拉索檢測中研發(fā)了爬行穩(wěn)定、性能優(yōu)越的機(jī)器人，取得了良好的檢測效果。

2 機(jī)器人設(shè)計思路

目前，斜拉橋拉索的形狀主要為圓柱形，是由若干單根鋼絲采用不同的形式集合而成，外層有聚乙烯作防護(hù)套，在橋梁上位置較高、長度較長，傾斜度一般在30°～90°。斜拉索直徑有多種規(guī)格，一般在70～270 mm。另外，由于自重作用與鋼絲松弛，拉索有一定的撓度。

拉索表觀檢測機(jī)器人總體上分為爬升系統(tǒng)和視覺檢測系統(tǒng)兩部分，其總體設(shè)計思路為：①拉索的自爬升機(jī)構(gòu)既要使機(jī)器人適合在特定形狀的纜索上登高，又必須有足夠大的驅(qū)動能力，以克服爬升機(jī)構(gòu)本身自重，并能承載一定負(fù)荷的檢測裝置。另一方面，對于因大橋過往車輛和河面高處大風(fēng)等引起的拉索振動，以及拉索自身具有的大傾斜度和撓度，要求機(jī)器人都能正常、安全地完成現(xiàn)場的檢測作業(yè)。②拉索的視覺檢測系統(tǒng)用于實時拍攝拉索表面狀況，通過后續(xù)圖像處理來檢測拉索表面的典型缺陷，如凹坑、劃痕、破損、老化等。

另外，視覺系統(tǒng)要能夠與爬升系統(tǒng)的位置信息進(jìn)行同步，記錄所拍攝圖像的位置信息，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)整理。圖像信息可保存于硬盤中，為各拉索建立一個表觀狀況檔案庫，并為進(jìn)一步分析處理提供依據(jù)。

2.1 爬升系統(tǒng)

爬升系統(tǒng)是機(jī)器人上升動力的來源，上端有兩個主動輪，下端有一個主動輪，分別由兩個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。下端的驅(qū)動輪通過杠桿機(jī)構(gòu)向內(nèi)側(cè)產(chǎn)生正壓力，使3 個輪子包裹住斜拉索，產(chǎn)生足夠的摩擦力。由于爬升過程中受到風(fēng)力的影響，機(jī)器人可能會出現(xiàn)重心移動和偏轉(zhuǎn)的情況，傳統(tǒng)的做法是加裝重力錘，本系統(tǒng)把電池、控制器等部件放在整機(jī)的下半位置，使整機(jī)的重心不在斜拉索直徑方位內(nèi)，因此能保證一種穩(wěn)定姿態(tài)運行，不會發(fā)生反轉(zhuǎn)問題。爬升系統(tǒng)基本構(gòu)造如圖1所示。

2.2 視覺檢測系統(tǒng)

視覺檢測系統(tǒng)可分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分。硬件系統(tǒng)包括整體框架和攝像系統(tǒng)，攝像系統(tǒng)由直流電源、高端工控機(jī)、工業(yè)相機(jī)、紅色LED 專業(yè)光源構(gòu)成，且保證所拍攝圖像能夠360°覆蓋斜拉索表面。整個攝像系統(tǒng)固定在一個長方體鋁合金框架上，且表面封閉。視覺檢測的軟件部分能夠自動存儲四個攝像機(jī)所拍攝的圖像及位置，并利用圖像處理中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實現(xiàn)對選定圖像進(jìn)行自動化表面缺陷檢測。另外，攝像系統(tǒng)中采用暗箱內(nèi)設(shè)置固定光源的做法是一項創(chuàng)新。通過紅色LED 條形光源相對與檢測面45°夾角的打光，構(gòu)造出能夠清楚顯示出斜拉索缺陷的光照環(huán)境，封閉的環(huán)境很好保護(hù)了本地的光照情況，避免了外在光線的干擾，提高了軟件系統(tǒng)圖像缺陷識別的效率。

圖1 爬升系統(tǒng)基本構(gòu)造圖

3 工作原理

斜拉索表觀缺陷檢測機(jī)器人的基本工作結(jié)構(gòu)如圖2所示。主控制器在整個爬升檢測機(jī)器人系統(tǒng)中發(fā)揮著控制和調(diào)度的作用，這些功能是通過控制器與各功能模塊的數(shù)據(jù)和控制接口來實現(xiàn)的。拉索檢測機(jī)器人能實時地監(jiān)控檢測機(jī)器人的工作狀態(tài)，其中包括系統(tǒng)工作時的兩塊電池電量和工作電流情況，應(yīng)保證剩余電量足以提供機(jī)器人的往返工作，減少故障發(fā)生概率。機(jī)器人在收到開始工作信號時，主控制器產(chǎn)生運動控制脈沖信號經(jīng)電機(jī)的驅(qū)動電路將脈寬信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)極性和相應(yīng)功率的輸出電流，以驅(qū)動電機(jī)按指定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向工作。同時在機(jī)器人的傳動系統(tǒng)中安裝了旋轉(zhuǎn)編碼器，用于記錄機(jī)器人爬行的距離，通過運動距離及加速度傳感器將機(jī)器人的運動狀態(tài)反饋給控制器，實現(xiàn)機(jī)器人運動的閉環(huán)控制。另外，機(jī)器人前后端配置了雷達(dá)裝置以實現(xiàn)機(jī)器人在高處接近橋塔表面時自動停止，同時進(jìn)入返回模式。

圖2 斜拉索表觀缺陷檢測機(jī)器人工作結(jié)構(gòu)圖

拉索表觀檢測機(jī)器人工作時，通過無線遙控主控制器實現(xiàn)爬升機(jī)構(gòu)的爬升和停止，攝像系統(tǒng)同時進(jìn)行拉索表觀圖像的拍攝工作。相機(jī)采用高幀率CCD 相機(jī)，確保圖像的高質(zhì)量，避免因為速度而產(chǎn)生的拖影模糊等情況。通過網(wǎng)口通信，工業(yè)相機(jī)將圖像傳給工控機(jī)，工控機(jī)的控制系統(tǒng)將拍攝的圖像根據(jù)不同相機(jī)、不同時間分類自動保存在外接USB 存儲盤中。現(xiàn)場拉索圖像拍攝結(jié)束后，軟件系統(tǒng)對拍攝好的圖像進(jìn)行自動分析與離線處理，給出拉索外觀的實際檢測結(jié)果。

4 檢測機(jī)器人的組成

整機(jī)主要分為主驅(qū)動部分、電器箱和攝像盒子三部分。主驅(qū)動部分由三個主動輪、兩個電機(jī)、其他機(jī)械設(shè)備組成，是推動整機(jī)上升的動力部分。電器箱內(nèi)有電池和控制元器件，是整機(jī)的控制中樞，另外也有配重的功能。攝像盒內(nèi)主要用工控機(jī)、光源和攝像頭，對整機(jī)攝像。檢測機(jī)器人的主要參數(shù)如表1所示。

表1 檢測機(jī)器人的主要參數(shù)

5 檢測方法

5.1 施工前準(zhǔn)備

搜集要進(jìn)行檢測的橋梁的相關(guān)信息，與相關(guān)人員進(jìn)行技術(shù)交底工作，熟悉橋梁工程圖紙，做好相關(guān)準(zhǔn)備。對橋梁進(jìn)行封道警示，防止在檢測作業(yè)過程中非工作人員進(jìn)入，發(fā)生安全事故。

5.2 儀器安裝

儀器安裝過程如下：首先檢查自爬行機(jī)器人是否能夠正常工作，安裝前檢查電機(jī)電池、攝像頭電池的電量是否充足，主動輪是否磨損等；根據(jù)拉索直徑選擇合適的孔位對齊安裝，將驅(qū)動主體上的安全連桿打開，輔助彈簧松掉，然后將主體套入斜拉索上，再依次將安全連桿鎖緊，輔助彈簧擰緊，將下部兩個棘輪拌扣調(diào)整，然后反復(fù)壓緊，使下輪緊緊貼合在斜拉索上；系好保險帶，將電器箱（配重）鎖緊在連接桿上，防止出現(xiàn)墜落，產(chǎn)生安全事故；檢查4 個攝像頭位置和焦距是否合適，在視頻接收的電腦里的4 個視頻圖像是否適中、清晰；連接電器插頭，打開電源開關(guān)等待1 min，等待內(nèi)部控制系統(tǒng)啟動；按遙控器鍵，操作機(jī)器人上升，開始工作；通過遙控控制機(jī)器人上升與下降，發(fā)現(xiàn)圖像不清楚的區(qū)域，控制機(jī)器人再次進(jìn)行拍攝。

5.3 操作注意事項

操作時注意事項如下：機(jī)器人爬升到拉索塔端附近時， 應(yīng)及時停止爬升，以免機(jī)器人撞上塔身，發(fā)生損壞；在機(jī)器 人爬升過程中，應(yīng)時刻注意機(jī)器人是否存在打滑、卡死、異響等情況，如有，需及時停止機(jī)器人爬升，防止機(jī)器人損壞；自爬行機(jī)器人工作時必須保證斜拉索表面無雨水不結(jié)露；機(jī)器人爬升到拉索頂端靠近索塔時，正常情況下雷達(dá)裝置會起作用，指示機(jī)器人執(zhí)行下降動作，攝像系統(tǒng)同時停止拍攝，這時，要注意機(jī)器人是否正常下降，否則采用遙控器及時停止；機(jī)器人下降到接近橋面阻尼器位置時及時停止下降，并檢查電源、攝像頭及爬升機(jī)構(gòu)的工作情況，在確定機(jī)器人無異常的情況下，拆卸機(jī)器人，為下一根拉索的檢查做準(zhǔn)備，拆卸時的順序為攝像系統(tǒng)、電池盒、驅(qū)動機(jī)構(gòu)；控制自爬行機(jī)器人的工作環(huán)境溫度為-10 ℃～45 ℃；機(jī)器人進(jìn)行工作時，風(fēng)力宜小于6 級。

5.4 數(shù)據(jù)處理

后期數(shù)據(jù)處理主要利用配套設(shè)計的軟件進(jìn)行分析處理，自動化圖像特征檢測綜合技術(shù)包括邊緣檢測、圖像分割、圖像特性分析，并根據(jù)圖像判斷病害類型、病害程度、病害等級等，最后形成檢測報告，避免了人工圖像檢測的局限，提高檢測效率和準(zhǔn)確性。

6 工程應(yīng)用

6.1 工程應(yīng)用概況

象山港大橋主橋為雙塔雙索面鋼箱梁五跨連續(xù)半漂浮斜拉橋，斜拉索采用1 670 MPa 平行鋼絲拉索，標(biāo)準(zhǔn)索距為15 m，全橋共4×22×2=176 根斜拉索，最長376 m，最大規(guī)格為PES7-211。斜拉索外包雙層HDPE 保護(hù)套，拉索表面氣動措施采用螺旋線。斜拉索表觀檢測機(jī)器人對寧波象山港大橋的斜拉索進(jìn)行了表觀缺陷檢測。試驗對象為該斜拉橋北側(cè)A19 號斜拉索，拉索直徑范圍133 mm.傾角27.8°，長度332.9 m，在檢測過程中機(jī)器人可實現(xiàn)勻速穩(wěn)定爬升并平穩(wěn)下降，爬升速度為6～9 m/min，能完全滿足拉索檢測要求，現(xiàn)場檢測照片如圖3所示。當(dāng)出現(xiàn)下雨情況，斜拉索表面會有水滴附著，機(jī)器人在爬升和下降過程中會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

圖3 檢測機(jī)器人現(xiàn)場工作圖

6.2 檢測結(jié)果分析

斜拉索表觀檢測機(jī)器人的圖像分析系統(tǒng)可以將拍攝到的象山港大橋拉索原始圖像進(jìn)行自動處理，從而實現(xiàn)對拉索表面?zhèn)鄣淖詣訖z測與分析。根據(jù)象山港大橋斜拉索的實際情況，拍攝到的圖像基本可以分為以下四種類型：①類型Ⅰ。無螺旋線無缺陷。②類型Ⅱ。無螺旋線有缺陷。③類型Ⅲ。有螺旋線無缺陷。④類型Ⅳ。有螺旋線有缺陷。

拉索表觀缺陷檢測目標(biāo)就是通過自動化圖像處理技術(shù)，分辨出以上四種圖像類型，并將有缺陷的圖像記錄存檔。圖像處理的基本要點如下：采集的圖像需進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)合實際情況，分析比較了幾種不同的圖像灰度增強(qiáng)、圖像平滑濾波方法的處理效果，分段線性變換、中值濾波對該圖像具有更好的邊緣保持性和適應(yīng)性的特點，所以采用分段線性變換、中值濾波算法對采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理；利用最大類間方差法對圖像陰影部分進(jìn)行分割，同時計算圖像陰影的線性度，以歸納出不同類型的差別圖像；根據(jù)圖像中拉索螺旋線和缺陷之間尺寸和形狀的差異性，利用陰影輪廓個數(shù)、位置、面積、圓形度和線性度等參數(shù)對圖像進(jìn)行識別，實際應(yīng)用證明該方法簡單實用，具有很好的應(yīng)用效果；建立了圖像識別系統(tǒng)，對應(yīng)將存在缺陷陰影的圖像數(shù)據(jù)保存在TXT 文檔中。

6.2.1 類型I 圖像的檢測

機(jī)器人攝像系統(tǒng)拍攝到的原始圖像中，圖像屬于類型Ⅰ，即無螺旋線無缺陷，如圖4所示。軟件系統(tǒng)的處理流程如圖5所示。

圖4 圖像類型Ⅰ——無螺旋線無缺陷

圖5 類型Ⅰ圖像處理流程

6.2.2 類型Ⅱ圖像的檢測

機(jī)器人攝像系統(tǒng)拍攝到的原始圖像中，圖像屬于類型Ⅱ，即無螺旋線有缺陷，如圖6所示。

圖6 圖像類型Ⅱ——無螺旋線有缺陷

分析軟件確認(rèn)當(dāng)前圖像是否存在陰影，并判斷螺旋線是否存在，確定陰影位置、大小，然后分析陰影區(qū)域線性度，判斷圖像存在實際缺陷，輸出缺陷所在的位置信息（此處缺陷位置為182.5 m）。

6.2.3 類型III 圖像的檢測

機(jī)器人攝像系統(tǒng)拍攝到的原始圖像中，圖像屬于類型Ⅲ，即有螺旋線無缺陷，如圖7所示。

圖7 圖像類型Ⅲ——有螺旋線無缺陷

通過軟件分析，判斷圖像陰影為正常螺旋線，不存在實際缺陷。

6.2.4 類型Ⅳ圖像的檢測

機(jī)器人攝像系統(tǒng)拍攝到的原始圖像中，圖像屬于類型Ⅳ，即有螺旋線有缺陷，如圖8所示。

圖8 圖像類型Ⅳ——有螺旋線有缺陷

通過軟件分析，判斷圖像存在實際缺陷，輸出缺陷所在的位置信息（此處缺陷位置為216.1 m）。

7 結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)和橋梁建設(shè)的不斷發(fā)展，斜拉橋拉索檢測機(jī)器人作為一種新型的特種機(jī)器人，將會越來越廣泛應(yīng)用于檢測作業(yè)當(dāng)中，從而取代人工作業(yè)，降低在檢測過程中出現(xiàn)安全事故的可能性，發(fā)揮巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

斜拉索自爬行檢測機(jī)器人在斜拉橋拉索檢測的成功應(yīng)用表明，該檢測方法能夠克服傳統(tǒng)檢測的局限性，能夠?qū)崿F(xiàn)斜拉索全面、高效、準(zhǔn)確地檢測，為斜拉橋的養(yǎng)護(hù)維修提供了有力的技術(shù)支撐，同時也為橋梁檢測的智能化、精準(zhǔn)化發(fā)展提供了良好的借鑒意義。相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在不久的將來，斜拉橋拉索機(jī)器人的自重將會逐漸降低，其功能也將日益完善，為斜拉橋的養(yǎng)護(hù)維修提供巨大便利。