橋梁水下結構檢測機器人設計研究

賈東諾

遼寧工程技術大學土木工程學院 遼寧 阜新 123000

隨著基礎設施建設的快速發展，橋梁數量不斷增加。為確保橋梁安全、保障交通運輸順暢，定期對橋梁進行檢測和維護至關重要。然而，橋梁水下結構檢測一直面臨著諸多挑戰，如水下環境復雜、能見度低、作業風險較高等。因此，開發一種適用于橋梁水下結構檢測的專用機器人具有重要意義。

1 機器人設計

1.1 機器人類型選擇

橋梁水下結構的檢測環境通常具有水流湍急、水下能見度低等特點，因此需要選擇適應復雜水下環境的機器人。橋梁水下結構檢測任務通常包括對橋梁基礎、橋墩、橋臺等部位的檢測和評估。需要考慮機器人是否能夠到達所需檢測的位置，以及是否能夠攜帶所需的檢測設備。水下機器人需要具備良好的機動性，以便能夠靈活地在水下運動，適應不同的水下環境。由于橋梁水下結構檢測作業的區域和任務時間可能較長，因此需要選擇具有較長續航能力的機器人。

基于以上因素，可以選擇以下兩種類型的機器人：1.纜控水下機器人（ROV）：ROV可以攜帶各種檢測設備，適應復雜的水下環境，適用于較長時間、較大范圍的檢測任務。但是，ROV的運動受到臍帶纜長度的限制，且操作相對復雜。2.自主水下機器人（AUV）：AUV是一種無需臍帶纜連接的水下機器人，可以自主地在水下運動。AUV具有較高的機動性，可以靈活地避開障礙物，適用于大范圍、長時間的檢測任務。然而，AUV的續航能力通常較ROV弱，需要定期返回水面充電。因此，橋梁水下結構檢測機器人可以選擇ROV或AUV，具體選擇需根據實際作業環境和任務需求來決定[1]。

1.2 機器人結構設計

可以采用流線型設計，以降低水下運動的阻力。可以考慮設計成圓柱體或水滴形，以便更好地適應水流條件。應當設計快速連接的防水連接器，以便在水下更換電池、傳感器等部件。可以采用高效節能的推進系統，如propeller或thruster，確保機器人在水下靈活運動。可以考慮使用多推進器設計，以提高機器人的機動性。還可以設計可更換的機械手，以滿足不同橋梁水下結構的檢測需求。機械手可實現抓取、觸摸等操作，以便對橋梁結構進行近距離檢測。應當預留足夠的空間和接口，以便方便地添加各種傳感器，如相機、聲納、姿態傳感器等。可以設計高效電池管理系統，確保機器人長時間續航。可以考慮使用高能量密度的電池，如鋰電池，并設計快速充電系統。應當建立穩定、低延遲的通信系統，確保機器人與控制端之間的實時交互。可以考慮使用水聲通信或無線通信技術。可以為機器人配備高亮度的照明系統，以便在昏暗的水下環境進行清晰的圖像拍攝和檢測。

1.3 機器人動力系統設計

橋梁水下結構檢測機器人的動力系統是確保機器人水下作業的關鍵組件，工業機器人動力裝置組成如圖1。通常情況下，水下機器人采用電池作為動力來源。選擇高能量密度的電池，如鋰電池，可提高機器人的續航能力。可以設計高效的電池管理系統，以監控電池狀態、保護電池使用壽命。電池管理系統應具備過充、過放、過熱等保護功能。也可以設計快速充電系統，以便機器人在水下作業過程中快速充電。可以考慮使用無線充電技術，提高充電的便捷性。推進系統是水下機器人的重要動力組件，用于實現機器人的水下運動。可以考慮使用高效節能的推進系統，如propeller或thruster。設計動力分配與管理系統，以實現對機器人推進系統、機械手等部件的動力控制。該系統應具備動力切換、動力優先級等功能，以便在不同情況下合理分配動力。通過優化機器人外形、推進系統設計等，降低水下運動的阻力，提高機器人的能源利用率。應當采用節能策略，如速度控制、睡眠模式等，以延長機器人的續航能力。通過以上動力系統設計，橋梁水下結構檢測機器人將具備高效的動力表現，滿足水下作業的需求。

圖1 工業機器人動力裝置組成

1.4 機器人傳感器系統設計

橋梁水下結構檢測機器人的傳感器系統是實現機器人智能檢測的關鍵組件，傳感器系統在工業機器人中的主要工作流程如圖2。成像傳感器用于采集橋梁水下結構的圖像信息。可以考慮使用高分辨率、寬視角的水下相機，以便捕捉清晰的圖像。聲納傳感器用于檢測水下障礙物和橋梁結構，提高機器人水下導航的準確性。可以選用成像聲納或避障聲納，實現水下物體的探測和定位。距離傳感器用于檢測機器人與橋梁水下結構之間的距離。壓力傳感器用于監測水下環境壓力，以便機器人適應不同的水下深度。水流傳感器用于檢測水下水流速度與方向，以便機器人應對水流變化，調整運動姿態。環境傳感器用于監測水下環境的溫度、pH值、渾濁度等參數，以便機器人適應不同的水下環境。可以設計高效的傳感器數據融合與處理系統，實現多傳感器數據的綜合分析。利用計算機視覺、機器學習等技術對采集到的數據進行分析，以識別潛在的結構缺陷和安全隱患。需要設置相應的報警機制，當傳感器檢測到異常情況（如超過安全距離、水流過快等）時，立即向操作人員報警。

圖2 傳感器系統在工業機器人中的主要工作流程

2 結構檢測技術

2.1 基礎知識介紹

橋梁水下結構檢測機器人的基礎知識涉及多個領域，包括水下工程、機器人技術、傳感器技術、通信技術等。需要了解水下環境的特點，如水流、水深、水壓等。熟悉橋梁水下結構的類型、材料和損壞模式，為機器人檢測任務提供基礎。掌握機器人運動學、動力學、控制系統設計的基礎知識，以便設計出性能優越的水下機器人。了解機器人硬件組成（如機身結構、推進系統、傳感器等）和軟件控制系統。可以學習各種傳感器的工作原理、應用范圍和性能參數，為機器人傳感器系統的選型和設計提供依據。應當掌握水下通信技術的原理，如水聲通信、無線通信等。了解通信系統的組成和優化方法，提高機器人與控制端之間的通信質量。應當學習水下導航和定位技術，如慣性導航系統（INS）、超聲波導航、GPS等。了解各種導航技術的原理、優缺點和適用場景，為機器人水下定位提供支持。需要掌握圖像處理和計算機視覺的基本概念、算法和應用。學習如何使用計算機視覺技術對水下圖像進行分析和處理，以識別橋梁水下結構的缺陷和隱患。可以學習機器學習的基本概念、算法和應用。了解如何利用機器學習方法對大量傳感器數據進行分析，實現機器人對水下結構的智能檢測和評估。應當了解橋梁水下結構檢測的標準和方法，熟悉各種缺陷類型（如裂縫、腐蝕等）及其評估方法。為機器人檢測任務提供評估依據。學習水下安全知識，熟悉機器人水下作業中的安全規定和應急預案[2]。

2.2 檢測方法選擇

橋梁水下結構檢測機器人的檢測方法取決于被檢測結構的特點、水下環境等因素。以下是常見的檢測方法及其適用場景：1.水下視覺檢測：利用水下相機拍攝橋梁水下結構的圖像，通過圖像處理技術對圖像進行分析，以識別裂縫、破損等問題。適用于水下能見度較高、結構表面較為平整的場景。2.聲納檢測：使用聲納設備掃描橋梁水下結構，通過分析聲納數據生成橋梁水下結構的三維圖像，從而檢測出結構缺陷。適用于水下能見度較低、結構表面復雜（如鋼筋混凝土）的場景。3.激光掃描檢測：利用激光掃描設備對橋梁水下結構進行掃描，獲取結構的三維模型，以便對結構進行詳細分析。適用于需要高精度檢測的場景，如評估橋梁水下結構的變形和磨損。4.水下觸摸檢測：通過機器人攜帶的機械手或其他觸覺設備直接接觸橋梁水下結構，以評估結構的磨損、腐蝕等情況。適用于需要對結構表面進行細致檢測的場景。5.滲透檢測：利用滲透劑檢測橋梁水下結構表面的裂紋等缺陷。適用于金屬結構表面的缺陷檢測。6.磁場檢測：利用磁場傳感器檢測橋梁水下結構內部的鋼筋腐蝕情況。適用于評估鋼筋混凝土結構的鋼筋狀況。7.溫度檢測：通過溫度傳感器監測橋梁水下結構表面的溫度分布，以評估結構的熱應力狀況。適用于評估橋梁水下結構的熱應力和耐久性。

2.3 數據采集與處理

數據采集需要利用水下相機拍攝橋梁水下結構的照片或視頻。在高清圖像中，可以清晰顯示裂縫、破損、腐蝕等缺陷。通過激光掃描設備獲取橋梁水下結構的三維模型，為后續分析提供基礎數據。利用機器人攜帶的機械手或其他觸覺設備直接接觸橋梁水下結構，獲取結構表面的質感、磨損和腐蝕等信息。需要對采集到的數據進行預處理，包括降噪、去模糊、增強等操作，以提高數據的質量。利用計算機視覺、機器學習等技術對預處理后的數據進行分析，以識別潛在的結構缺陷和安全隱患。這可能包括對圖像進行裂縫檢測、對聲納數據進行目標識別、對激光掃描數據進行三維建模等。將分析結果可視化，生成易于理解的報告。例如，將裂縫、破損、腐蝕等缺陷的位置、大小和程度標注在圖像或三維模型上，方便評估人員了解橋梁水下結構的狀況。根據數據分析結果，生成詳細的檢測報告，包括現狀、問題、建議等。

3 機器人運行與控制

3.1 機器人操作流程

可以根據檢測目標、水下環境和機器人性能，制定檢測任務和路線。這包括確定檢測點位、機器人運動軌跡、設備工作模式等。應當將橋梁水下結構檢測機器人放入水中，啟動機器人并檢測設備狀態。確保機器人各系統正常運行，傳感器、推進系統等設備正常工作。操作人員可以通過遠程操控系統控制機器人，引導機器人按照規劃路線行進，執行檢測任務。操作人員需要實時監測機器人的狀態，根據任務需求和環境變化調整機器人的運動和設備工作模式。機器人需要根據任務要求采集圖像、聲納等數據，實時傳輸到控制端。分析人員對數據進行分析，判斷結構缺陷和隱患。如有需要，操作人員可以實時調整機器人的運動和設備工作模式，以便更詳細地檢測特定區域。可以根據分析結果，生成詳細的檢測報告，包括現狀、問題、建議等。評估人員可以根據報告結果，確定維修方案和優先級。任務結束后，回收機器人并進行維護，為下一次任務做準備。這包括檢查機器人的硬件設備、電池狀態、傳感器校準等，確保機器人性能穩定[3]。

3.2 遠程操控系統設計

應當設計直觀、易用的用戶界面，方便操作人員實時監控機器人的狀態和操控機器人。用戶界面應顯示機器人的運動狀態、電池電量等信息，并提供方便的操控按鈕和參數調整界面。可以建立穩定、低延遲的通信系統，確保操作人員與機器人之間的實時交互。還可以設計高效的控制模塊，實現對機器人的運動、設備控制等功能。操作人員可以通過控制模塊實時調整機器人的推進系統、機械手等部件的運動狀態，以滿足任務需求。設置相應的安全機制，確保機器人在運行過程中避免碰撞、偏離路線等風險。對于需要多臺機器人協同作業的任務，遠程操控系統應具備多機器人協同控制的功能。操作人員可以同時控制多臺機器人，實現任務分配、路徑規劃、協同作業等功能。遠程操控系統應具備一定的數據分析與可視化能力，方便操作人員實時查看和處理機器人采集的數據。數據分析功能可以對傳感器數據進行預處理、識別缺陷等操作，而可視化功能可以將分析結果呈現給操作人員，便于決策。

3.3 自主導航和路徑規劃

機器人需要通過傳感器（如慣性導航系統、聲納等）了解自己在水下的位置和姿態。定位的精度和準確性對自主導航和路徑規劃至關重要。機器人需要了解水下環境的信息等。通過傳感器（如水下相機、聲納等）獲取的環境信息可以幫助機器人更好地規劃路徑，避免碰撞。路徑規劃算法需要考慮多個因素，也需要根據規劃好的路徑，機器人自主控制推進系統，沿著路徑行進。在導航過程中，機器人需要不斷地根據傳感器信息調整位置和姿態，以實現精確定位和避障。在實際導航過程中，環境可能會發生變化（如突然出現的障礙物）。在這種情況下，機器人需要能夠實時更新路徑規劃，以確保順利完成任務。機器人需要實時評估導航和路徑規劃的效果，對路徑進行實時調整。這包括檢查機器人位置誤差、姿態誤差以及與障礙物的距離等。應當整合多種傳感器數據（如定位、聲納、成像等），以提高機器人對環境的感知能力和導航性能。

4 結語

綜上所述，智能橋梁水下結構檢測機器人的成功研制為橋梁檢測領域帶來了新的技術突破。隨著技術的不斷發展和完善，這類機器人將在更多的橋梁工程中發揮重要作用，為保障橋梁安全、延長橋梁使用壽命做出貢獻。