基于多足爬墻機器人平臺的橋梁裂縫檢測方法研究

胡菊英、黃吉桂

（1.吉林省長春市富華龍建設工程有限公司，吉林長春130114；2.廣東合眾路橋科技股份有限公司，廣東廣州 511400)

0 引言

為加快區域聯系，厚植發展優勢，近些年來，我國加大了交通網絡的開發建設力度，投入大量資源進行道路、橋梁的施工建設，逐步形成完備的交通網絡體系[1]。根據相關部門公布的數據，2021年橋梁數量超過80 萬座，橋梁的建成與投入使用，有效搭建起區域之間空間聯系，降低出行成本，縮短出行時間?？紤]到橋梁特殊的結構組成，使用過程中出現裂縫的概率較高，為應對這種情況，無疑需要相關技術團隊做好橋梁裂縫日常檢測以及處置等系列工作，以確保橋梁裂縫危害可控，保證橋梁正常使用。

1 多足爬墻機器人概述

通過對多足爬墻機器人技術構成以及主要技術特性的梳理，技術人員從整體層面形成正確的技術認知，逐步理順多足爬墻機器人運動特性，為后續其在橋梁裂縫檢測環節的應用提供了方向性引導。

多足爬墻機器人作為目前成熟的機器人技術形態，從結構組成來看，主要包括機器人本體結構、真空吸附裝置以及控制系統等模塊[2]。多足爬墻機器人由于使用環境較為特殊，需要在不同平面間進行轉換，處于運動能力以及適應能力的考量，現階段多足爬行機器人除了需要裝配電動機提供驅動力之外，對于爬行結構也應做好必要的細化處理，確保多足爬墻機器人可以勝任各類工作任務。在這一思路的指導下，多足爬墻機器人主要采取六足結構，采取腿、擺動腿以及支撐腿、踝關節、膝關節、髖關節等仿真結構，在真空吸盤的輔助下，使得多足爬墻機器人可以通過腿部動作，靈活翻越不同的平面，并固定在預定的位置，開展系列工作任務。

2 多足爬墻機器人在橋梁裂縫檢測中應用的必要性

橋梁裂縫檢測工作體量大、任務強度高，基于提升橋梁裂縫檢測效率，管控工作難度，降低檢測成本的整體考量，越來越多的技術團隊轉換思路，將多足爬墻機器人納入橋梁裂縫檢測環節，旨在借助其設備性能與技術優勢，實現橋梁裂縫檢測模式有效轉型。

2.1 現階段橋梁裂縫檢測基本現狀

橋梁對于交通運輸能力的提升有著深遠影響，為保證橋梁整體運行狀態，不僅需要從結構設計、施工角度出發，開展系統性的項目作業，以保證橋梁整體結構的穩定性，減少結構性病害，更需要專業技術團隊在橋梁使用過程中，定期進行檢測評估，開展維護與管理工作。我國橋梁總量巨大，部分橋梁由于施工較早等因素，出現了結構退化、超負荷運營等問題，嚴重影響了交通通行效率與公眾安全。裂縫作為橋梁結構發生頻率較高的病害，如果沒有采取必要措施加以處理應對，極易誘發更為嚴重的安全問題。出于這種內在的邏輯聯系，相關團隊在橋梁管理維護工作中，往往將裂縫作為首要的檢測對象，通過橋梁結構裂縫捕捉以及評估，掌握橋梁結構的真實狀態[3]。

基于這種實際，各地區加大對橋梁裂縫的管理力度，通過人工干預的方式，減緩橋梁結構退化的速度，增強結構整體強度，延長使用服務壽命。例如，橋梁裂縫檢測過程中，主要采用三種方式：

一是人工檢測，定期組織檢測人員進入橋梁相關區域，獲取結構信息，評估裂縫狀態。

二是安裝檢測裝置實時檢測，技術團隊根據橋梁裂縫檢測要求，提前進入橋梁區域，在相關位置安裝檢測裝置，實時檢測橋梁結構狀態。從20世紀80年代開始，歐美一些國家在較長的一段時間內，主要采取這種檢測技術模式，對橋梁的溫度、位移以及裂縫等情況開展追蹤，依據追蹤數據，開展橋梁維護管理。

三是引入檢測機器人，利用運動能力、圖像獲取能力，對橋梁整體結構開展評估，掌握裂縫位置、深度、長度等信息數據。借助多元化的橋梁檢測手段，在很大程度上滿足了橋梁維護管理工作基本要求，對于橋梁良好服務狀態的維持有著極大裨益。

2.2 多足爬墻機器人橋梁裂縫檢測技術的優勢

多足爬墻機器人作為目前橋梁檢測自動化技術的主要構成，憑借自身的結構優勢、運動優勢、數據獲取優勢，在很大程度上，滿足了不同場景下，橋梁結構裂縫檢測要求，實現了檢測工作的科學化、檢測內容的完整化以及檢測體系的完備化，有效彌補了過往橋梁檢測工作中存在的不足，促進了現有橋梁裂縫檢測工作模式的轉型。

多足爬墻體機器人可以翻越不同的地形阻礙，實現運動狀態有效轉換，表現出較強的實用屬性，通過其技術優勢的充分發揮，有效實現了橋梁裂縫檢測工作的自動化、裂縫檢測流程的便捷化以及檢測成本的可控化，較好地滿足橋梁結構日常維護管理工作的系列要求。

例如六足爬墻機器人在腿部結構設計方案更為細致，采取了仿真處理，增設了髖關節、踝關節等結構，全面提升運動過程中，六足爬墻機器人的靈活性，并且在相應的區域設置了電動馬達系統，強化自身的攀爬能力，確保六足爬墻機器人可以順利通過不同的空間障礙，快速達到指定觀察區域。同時，六足爬墻機器人具備高精度的視覺系統、圖片處理系統，通過自身運動能力的輔助，六足爬墻機器人可以快速進入到檢測區域，利用圖像獲取設備獲取橋梁底面、側面圖片資料，評估裂縫發育程度。多足爬墻機器人在實際應用過程中表現出的技術優勢，無疑可以減少檢測團隊的工作壓力，提升工作效率，使得檢測團隊可以在較短的時間內迅速完成各項橋梁裂縫檢測任務。

多足爬墻機器人還局內遠程操控能力以及較強的學習能力，因此整體安全系數較高，檢測團隊可以借助相關操作終端，通過遠距離遙控的方式，完成檢測機器人的操控，無形之中，降低了安全風險。

與傳統的橋梁底面檢測手段相比，檢測機器人系統不僅檢測精度較高，還可以有效管控檢測成本，減少不必要的費用支出，避免額外成本的發生?；诙嘧闩缐C器人在橋梁裂縫檢測方面的技術優勢，越來越多的技術團隊將其引入橋梁裂縫檢測工作之中，強調通過技術的升級以及設備轉換，全面提升檢測成效，推動后續橋梁維護管理等系列工作的有序開展。

3 多足爬墻機器人在橋梁裂縫檢測中的應用路徑

多足爬行機器人在橋梁裂縫檢測中的應用，需要兼顧檢測可行性與精準性，通過硬件組建、軟件升級以及算法設計等路徑手段，全面提升多足爬行機器人對于橋梁縫隙識別能力與設備可操作性。

3.1 多足爬墻機器人硬件構建方案

3.1.1 多足爬墻機器人運動結構設計

為持續提升多足爬墻機器人對于裂縫檢測的靈活性與自主性，發揮多足爬墻機器人平臺載體作用，實現對橋梁結構無損檢測，技術人員在實際的技術應用環節，需要重視起硬件系統，通過對本體結構、真空吸附結構等核心裝備的優化設置，全面增強多足爬墻機器人攀爬能。硬件構建環節，可以充分吸取現有經驗，對運動結構做出適當地調整，增加髖關節、膝關節以及踝關節等，以運動結構的設立，保證整個爬墻機器人的運動自由度，考慮到多足爬墻機器人往往需要在某一區間范圍內停留較長時間，連續獲取橋梁結構的相關資料，這就要求多足爬墻機器人在運動結構設計環節，應當將足部關節鉸鏈與真空吸盤進行組合，全面提升多足爬墻機器人滯空能力。由于多足爬墻機器人需要搭載各類檢測儀器以及圖像獲取設備，相關設備重量較大，為了保證動力輸出，往往需要使用較大功率的交流電機，將其作為驅動裝置，實現多足爬墻機器人平穩運行，考慮到整個機器人運動靈活度，每個關節的驅動電機都應當可以獨立運動，使得多足爬墻機器人可以克服橋梁結構對于裂縫檢測工作的影響。以某型號多足爬墻機器人為例，研發過程中，技術人員在綜合各類要素的前提下，選用了功率為100W 的松下MSMD012GIV 驅動電機，該電機額定扭矩為0.32N· m，轉換效率達到了90%。同時，在關節區域增設了加速器以及減速器等模塊組件，通過靈活調控運行速度，增強多足爬墻機器人運動能力[4]。

3.1.2 多足爬墻機器人真空吸附裝置設計

真空吸附裝置作為整個多足爬墻機器人的核心構成，在硬件系統搭建環節，需要認真做好真空發生器與真空吸盤的選型、調試等系列工作。依據現有的經驗，真空吸附方式主要包括電磁吸附、真空吸附兩種，兩種吸附方式，適應了不同場景下的技術使用需求，在實際技術應用環節，技術團隊需要結合過往真空吸附裝置設計、應用有關經驗，認真做好真空吸附裝置優化提升工作。

具體來看，由于橋梁結構表面較為粗糙，多足爬墻機器人在開展各項任務中，往往需要依靠強大吸引力，才能夠將多足爬墻機器人附著在橋梁相關位置，開展系統性裂縫評估以及檢測，技術人員利用采壓直流驅動隔膜泵作為真空發生器，這一設備的優勢在于，其噪音等級較低、真空環境制造效率較快，并且氣密性較好，有效滿足現階段真空裝置的使用需求。采壓直流驅動隔膜泵使用環節，技術人員還需要針對性地做好設備參數調試工作，通過參數針對性調整，全面提升采壓直流驅動隔膜泵運行質量，確保其可以充分滿足多足爬墻機器人對于真空環境使用需求。

除了做好真空吸附裝置選型以及參數調整之外，還需要對真空吸盤做好優化，從設備運行角度來看，真空吸盤主要利用環境壓力將多足爬墻機器人固定在橋梁底部或者側面等位置，當吸盤與橋梁結構接觸時，吸盤與外部環境之間形成較為密封空間，當多足爬墻機器人需要繼續運動時，向真空吸盤內注入空氣，吸盤內外氣壓差減少，機器人可以接受操作指令，沿著設定路線進入到指定位置?？紤]到多足爬墻機器人自重較大，在真空吸盤的處理過程中，需要對吸盤材質做好選擇，避免材質選擇不恰當影響真空吸盤的使用壽命[5]?；谶@種認知，技術人員可以在真空吸盤邊緣位置涂覆泡沫型柔性材料，利用材料優勢，確保真空吸盤適應粗糙度較高的橋梁裂縫檢測環節。除了做好上述技術處理之外，多足爬墻機器人的足部與吸盤的連接區域，為了控制吸盤與橋梁底部、側壁間隙，采用萬向節連接結構，借助必要的結構優化，可以使得多足爬墻機器人在傾斜結構中，靈活調整吸盤、橋梁結構與機器人足部之間的空間關系，迎合橋梁壁面的傾斜度，將二者之間的間隙控制在有效范圍內，切實保障多足爬墻機器人結構穩定性。

3.1.3 多足爬墻機器人控制系統設計方案

多足爬墻機器人控制系統設計過程中，為了提升系統自身的可控性，適應復雜的環境，需要做好傳感器數據的融合，采取ARM+DSP 控制框架，形成分散化控制模式。在這一思路指導下，技術人員將主控制器、總線控制器、真空傳感器、橋梁檢測儀器、驅動器、光電編碼器、安全閥、吸盤以及無線網絡適配器作為主要系統要素進行技術層面的串聯，使得多足爬墻機器人在地面監測站的指揮下，可以高效驅動電機、真空電磁閥、安全閥等設備，改變多足爬墻機器人運行狀態，進入制定的檢測區域進行檢測作業。同時借助控制器介入橋梁檢測儀、真空傳感器，使得多足爬墻機器人可以快速開展橋梁裂縫評估工作，全面增強機器人工作成效，持續提升橋梁檢測水平。

3.2 多足爬墻機器人軟件優化方案

多足爬墻機器人軟件優化主要從控制器軟件設計以及后臺監測站軟件設計兩個層面入手，實現多足爬墻機器人運行前臺與檢測后臺之間數據的有效聯動，更好地提升數據處理能力。多足爬墻機器人運轉過程中，為確保技術應用成效，應當從實踐角度出發，將機器視覺系統作為切入點，從拍攝圖像中獲取橋梁底面裂縫的相關情況，以精準評估橋梁狀態。根據過往經驗來看，機器視覺系統由可充電攝像機、數碼錄像機以及視覺處理系統組成，依托這種技術模塊構成，檢測機器人可以快速完成橋梁地面裂縫的分析工作，實際處理環節，利用相應的軟件程序，對橋梁底面裂縫圖像獲取后，開展必要的圖像信息前期處理程序，依托相關技術算法對獲取到的各類圖片開展降噪，通過噪點的處理，真實還原橋梁裂縫基本情況，在上述工作的基礎上，開展裂縫檢測、長度檢查以及寬度計算等相關工作，在拼接技術的支持下，形成橋梁底部全景圖片，將全景圖片信息轉化橋梁管理系統信息，便于后續橋梁底面裂縫處理工作的有序開展。

除了做好上述技術處理之外，還可以利用系統自身的數據分析能力，做好橋梁底面裂縫追蹤與檢測等系列工作。從過往經驗來看，橋梁底面裂縫的追蹤分析在多種軟件技術的驅動下，技術人員可以在較短的時間內完成不同數據的共享以及分析。多足爬墻機器人算法，通過系統化的算法處理，工作人員可以在較短的時間內，快速完成系列橋梁裂縫評估等工作，通過評估處理，技術人員可以在最短時間內，快速作出反應，實現橋梁裂縫的科學高效處置，推動橋梁項目維護管理工作的有序開展。

4 結語

橋梁裂縫檢測過程中，多足爬墻機器人表現出極強的技術優勢，較好地滿足裂縫檢測工作的各項要求。為增強多足爬墻機器人的實用屬性，文章嘗試從多個角度出發，著眼多足爬墻機器人主要技術構成，總結以往技術經驗，采取系統技術舉措，推動多足爬墻機器人在橋梁裂縫檢測中的科學化、高效化應用。