攀爬机器人的桥梁裂缝图像检测以及分类方法探讨

攀爬机器人的桥梁裂缝图像检测以及分类方法探讨

徐利军

上海浦公检测技术股份有限公司 201202

摘要：机器人技术的发展不仅令人们在繁重危险的工作当中得以解放，同时也令工作效率得以提升，例如斜拉桥的拉锁检测机器人可以进行钢结构无损检测，城市高架桥亦可使用攀爬机器人完成检查，通过在主梁梁底移动传输现场图片，令工作人员实现远程或离线工作。基于此，本文将主要针对在桥梁裂缝图像检测当中，攀爬机器人的检测与分类方法展开探讨。

关键词：桥梁裂缝；攀爬机器人；图像检测

引言：攀爬机器人具有在垂直墙壁上工作的能力，将爬行机器人技术与吸附技术有机结合，是移动机器人行业的一大分支，攀爬机器人组织的关键组成部分是吸附组织和运动组织，根据吸附方式的不同，攀爬机器人可分为磁性吸附、仿生技术吸附、负压吸附以及近年来出现的静电感应吸附。

1攀爬机器人的设计要求

隧道、桥梁等建筑表面很容易出现不易被人察觉的裂缝或锈蚀，最终导致结构失效，引发安全事故。但高架桥梁等建筑结构常常因为环境复杂很难靠人工进行检测，为此爬壁机器人应运而生。爬壁机器人属于特种机器人的一种，它可以帮助人们在高空环境或极限环境中完成一些高危作业的任务。

桥梁检测有其独特的自然环境。例如，由于检查地点的多样性，导致攀爬的空间方向复杂，包括桥墩、高架及大型立交；桥梁材料和条件多样，有混凝土结构、有钢结构等；桥梁结构形式繁琐，有连续梁、T梁、桁架等多种结构；结构表面存在各种不同的病害，导致出现凹凸不平等。用于检查的机器人必须兼顾光线、视角、拍摄范围和机器人爬行时的摄像头的稳定性问题。攀爬机器人在桥上工作的关键是吸附和爬行，需要分析攀爬机器人的运行组织和吸附组织，这两个组织也是攀爬机器人的主要机械系统。除了一些必要的保护措施外，科研开发的活动和吸附组织也可以在较大程度上保证机器人的可靠吸附和平稳爬行，从而降低攀爬机器人的风险。

2总体结构设计

如图1所示，为一种用于高架桥表面检测的爬壁机器人，包括底盘、真空吸附装置、履带行走装置、检测摄像系统、主控系统、电源、手持终端和壳体。机器人长宽均为24厘米，高7.5厘米，搭载高清摄像头。直流电机驱动机器人内部真空吸附装置，马达驱动负压风扇工作，让机器人与建筑物表面之间的空气被抽走，机器人底盘压强小于外界压强，形成接近真空的区域，使机器人能够紧贴结构物表面。履带行走装置可以让机器人完成直线和弧线行走，将履带设置在底盘槽内，缩短负压风扇与履带的间距，让机器人的吸附能力更强。机器人底部的摩擦面为环形结构，表面经过布制摩擦处理或氟加工摩擦处理，见图2，可以增加摩擦面和结构物接触面的密封性，使机器人在负压状态下可以稳定的吸附在高架桥表面。机器人搭载的检测摄像系统用于结构表面损伤的检测，在机器人移动的过程中，检测建筑物表面损伤，并记录损伤位置和损伤图像。主控系统使用手持终端与无线控制盒相配合实现远程控制机器人动作，使机器人摆脱了线性导轨的限制，解决了隧道、桥梁等特殊环境建筑表面损伤探查作业的难题。

图1 攀爬机器人结构

图2 布制和氟加工摩擦处理

3 图像获取

机器人携带高清摄像头，通过无线通讯将建筑物图像实时传输至手机或电脑，检测摄像系统采用双目相机提供照明的光源，双目摄像头是利用仿生学原理，通过标定后的双摄像头得到同步曝光图像，然后计算获取的二维图像像素点的第三维深度信息。所以双目系统对目标物体距离感知是一种绝对的测量，而非估算。此外双目摄像头还能实现光学变焦。若两个摄像头的视场角不一样，一个大视场角，一个小视场角，再通过算法实现两个光学镜头之间的效果，就可以轻松做到光学变焦，在光线较暗时，同时开启照明的光源，依靠机器人内置的视觉算法，在机器人移动的过程中，减少光源明暗边界线对图像采集的影响。桥梁表面裂缝的类型一般包括水平裂缝、垂直裂缝、反射面裂缝（也称小裂缝）和网状结构裂缝，可通过摄像检测系统记录。

4桥梁检测攀爬机器人系统实验

4.1 机器人不同粗糙壁面自适应吸附实验

为了更好地验证机器人对不平整墙壁的适应性，包括气密性、延展性和气密裙边的适应性，以及机器人自动控制系统对吸附力的适应性，选择不同环境进行室外采样测试：在不同材料和不同平坦的竖直壁面上进行，同时验证吸附稳定性，研究机器人的运动特性。当机器人吸附在夹层玻璃壁上时，由于夹层玻璃表面非常光滑，密封效果好，密封腔泄漏很小，真空吸附装置可以让机器人牢固的吸附在玻璃壁面上。另一方面，夹层玻璃表层动摩擦系数小，该机器人底部环形部位通过布制摩擦处理，提高了摩擦阻力，可以在玻璃壁面正常行走。当机器人吸附在混凝土壁面上时，混凝土表面存在破损、蜂窝麻面等凹凸不平，这对机器人来说是一个很大的挑战，机器人一定程度的延展性和密封裙边可以补偿表面的凸凹，减少空气渗漏，机器人吸附力的优化控制系统可以动态调节真空吸附装置，以保持足够的吸附力，机器人的吸附还是稳定可靠的。只有当混凝土表面存在较大的突出异物，机器人才有可能被卡住，无法翻越行走。因此，运动特性受到一定程度的限制。地砖壁面和混凝土壁面情况相似，地砖与地砖之间有凹痕，与混凝土壁面相比，缝隙有一定的深度，但不影响机器人吸附在表面，也就是说机器人能行走在较浅的凹痕上，同时对于建筑物表面较大裂缝没有影响。圬工结构桥梁，表面虽然不光滑，但砾石排列紧密，机器人的泄漏也不是很大，可保证吸附稳定，但需要注意的是，碰到弧度很大的圬工拱桥，由于机器人和接触面存在较大的缝隙，这时不能通过真空吸附在建筑物表面。

4.2 机器人桥梁检测现场实验

机器人在板梁底面、高桥墩建筑等方面的综合能力已经过测试。机器人在整个平面上的实测速度可达12m/min，也能安全、顺利通过板梁表面损伤部位，机器人的吸附力具有优良的适应性和控制性能。此外，视频图像传输连续、稳定，能清晰检查建筑物表面外观情况。高架桥梁和大型立交现场环境复杂，高架桥下车辆正常通行，立交里树木众多，机器人亦能收到控制指令进行正常的行走操作，所有交互式操作程序都具有极佳的实用性，机器人可以快速响应实际操作人员的命令。在桥梁现场检测中，机器人技术参数基本满足桥梁检测技术标准，所有系统软件主要表现出良好的适应性，值得信赖。在对攀爬机器人作为移动应用平台在桥梁复杂环境中的适用性和稳定性进行验证后，需要对桥梁病害按照规范要求进行评估。其中桥梁裂缝是桥梁病害评估的一项关键指标值。本文选择攀爬机器人的方法对高架桥梁结构表面的裂缝进行识别，通过摄像工作平台后台管理监控软件读取，并传输裂缝图像，经处理优化、计算，提取桥梁裂缝的长度、最大宽度等特征信息内容，并将数据信息结果存入历史时间数据库中进行查询，实现攀爬机器人在高架桥梁上裂缝检测的应用。

结语：

本文主要对研制的攀爬机器人样品进行室外垂直壁面适应性测试和桥梁现场综合测试。户外不同材质、不平整的水平墙面，证明了机器人的吸附适应性，垂直墙面作业能力强。桥梁现场综合能力测试证明机器人各项性能指标基本满足桥梁检测技术标准，最后将攀爬机器人现场采集到的外观病害以及结构物表面的裂缝进行分析，和人工近距离对建筑物检测的信息比较，两者检测数据一致，经测试，所有系统合理、稳定、可靠。

参考文献：

1. 吴兴琪, 崔世超, 孙恒,等. 桥梁检测的爬壁机器人足力优化方法设计[J]. 汽车实用技术, 2020, No.311(08):189-192.

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