跨海斜拉索大桥自爬行机器人研究及应用

徐懋刚

（宁波交通工程建设集团有限公司，浙江 宁波 315000）

1 引言

斜拉桥的拉索长期暴露在空气中，在风吹、日晒、雨淋等各种环境因素的影响下，其表面会出现不同程度的腐蚀、开裂和内部钢丝断裂的现象，将影响桥梁结构的安全。为了降低缆索的不确定破坏而造成的损失，定期对缆索进行内外部检测、涂装或修复，改善大桥的使用安全和外观是十分必要的。

目前，中国对拉索的检测主要有以下几种方式：人工目测法、搭设支架法、卷扬机探伤法、采用吊篮检测维护，以上4 种方式检查效率低下，费时费力，且检测成本高，在人工操作过程中，登高存在极大的安全隐患，风险大。近年来，中国逐渐开始研究斜拉索检测机器人，成功研制了采用电驱动式、气动蠕动式两种缆索机器人样机，并且在上海徐浦大桥和南浦大桥上进行了试验。然而，这两种试验样机都比较笨重，体积大，重量都在150 kg 以上，安装调试不方便。在宁波象山港大桥斜拉索检测中研发了爬行稳定、性能优越的机器人，取得了良好的检测效果。

2 机器人设计思路

目前，斜拉桥拉索的形状主要为圆柱形，是由若干单根钢丝采用不同的形式集合而成，外层有聚乙烯作防护套，在桥梁上位置较高、长度较长，倾斜度一般在30°～90°。斜拉索直径有多种规格，一般在70～270 mm。另外，由于自重作用与钢丝松弛，拉索有一定的挠度。

拉索表观检测机器人总体上分为爬升系统和视觉检测系统两部分，其总体设计思路为：①拉索的自爬升机构既要使机器人适合在特定形状的缆索上登高，又必须有足够大的驱动能力，以克服爬升机构本身自重，并能承载一定负荷的检测装置。另一方面，对于因大桥过往车辆和河面高处大风等引起的拉索振动，以及拉索自身具有的大倾斜度和挠度，要求机器人都能正常、安全地完成现场的检测作业。②拉索的视觉检测系统用于实时拍摄拉索表面状况，通过后续图像处理来检测拉索表面的典型缺陷，如凹坑、划痕、破损、老化等。

另外，视觉系统要能够与爬升系统的位置信息进行同步，记录所拍摄图像的位置信息，以便于后续的数据整理。图像信息可保存于硬盘中，为各拉索建立一个表观状况档案库，并为进一步分析处理提供依据。

2.1 爬升系统

爬升系统是机器人上升动力的来源，上端有两个主动轮，下端有一个主动轮，分别由两个步进电机驱动。下端的驱动轮通过杠杆机构向内侧产生正压力，使3 个轮子包裹住斜拉索，产生足够的摩擦力。由于爬升过程中受到风力的影响，机器人可能会出现重心移动和偏转的情况，传统的做法是加装重力锤，本系统把电池、控制器等部件放在整机的下半位置，使整机的重心不在斜拉索直径方位内，因此能保证一种稳定姿态运行，不会发生反转问题。爬升系统基本构造如图1所示。

2.2 视觉检测系统

视觉检测系统可分为硬件系统和软件系统两部分。硬件系统包括整体框架和摄像系统，摄像系统由直流电源、高端工控机、工业相机、红色LED 专业光源构成，且保证所拍摄图像能够360°覆盖斜拉索表面。整个摄像系统固定在一个长方体铝合金框架上，且表面封闭。视觉检测的软件部分能够自动存储四个摄像机所拍摄的图像及位置，并利用图像处理中的神经网络算法实现对选定图像进行自动化表面缺陷检测。另外，摄像系统中采用暗箱内设置固定光源的做法是一项创新。通过红色LED 条形光源相对与检测面45°夹角的打光，构造出能够清楚显示出斜拉索缺陷的光照环境，封闭的环境很好保护了本地的光照情况，避免了外在光线的干扰，提高了软件系统图像缺陷识别的效率。

图1 爬升系统基本构造图

3 工作原理

斜拉索表观缺陷检测机器人的基本工作结构如图2所示。主控制器在整个爬升检测机器人系统中发挥着控制和调度的作用，这些功能是通过控制器与各功能模块的数据和控制接口来实现的。拉索检测机器人能实时地监控检测机器人的工作状态，其中包括系统工作时的两块电池电量和工作电流情况，应保证剩余电量足以提供机器人的往返工作，减少故障发生概率。机器人在收到开始工作信号时，主控制器产生运动控制脉冲信号经电机的驱动电路将脉宽信号转换为相应极性和相应功率的输出电流，以驱动电机按指定的转速和转向工作。同时在机器人的传动系统中安装了旋转编码器，用于记录机器人爬行的距离，通过运动距离及加速度传感器将机器人的运动状态反馈给控制器，实现机器人运动的闭环控制。另外，机器人前后端配置了雷达装置以实现机器人在高处接近桥塔表面时自动停止，同时进入返回模式。

图2 斜拉索表观缺陷检测机器人工作结构图

拉索表观检测机器人工作时，通过无线遥控主控制器实现爬升机构的爬升和停止，摄像系统同时进行拉索表观图像的拍摄工作。相机采用高帧率CCD 相机，确保图像的高质量，避免因为速度而产生的拖影模糊等情况。通过网口通信，工业相机将图像传给工控机，工控机的控制系统将拍摄的图像根据不同相机、不同时间分类自动保存在外接USB 存储盘中。现场拉索图像拍摄结束后，软件系统对拍摄好的图像进行自动分析与离线处理，给出拉索外观的实际检测结果。

4 检测机器人的组成

整机主要分为主驱动部分、电器箱和摄像盒子三部分。主驱动部分由三个主动轮、两个电机、其他机械设备组成，是推动整机上升的动力部分。电器箱内有电池和控制元器件，是整机的控制中枢，另外也有配重的功能。摄像盒内主要用工控机、光源和摄像头，对整机摄像。检测机器人的主要参数如表1所示。

表1 检测机器人的主要参数

5 检测方法

5.1 施工前准备

搜集要进行检测的桥梁的相关信息，与相关人员进行技术交底工作，熟悉桥梁工程图纸，做好相关准备。对桥梁进行封道警示，防止在检测作业过程中非工作人员进入，发生安全事故。

5.2 仪器安装

仪器安装过程如下：首先检查自爬行机器人是否能够正常工作，安装前检查电机电池、摄像头电池的电量是否充足，主动轮是否磨损等；根据拉索直径选择合适的孔位对齐安装，将驱动主体上的安全连杆打开，辅助弹簧松掉，然后将主体套入斜拉索上，再依次将安全连杆锁紧，辅助弹簧拧紧，将下部两个棘轮拌扣调整，然后反复压紧，使下轮紧紧贴合在斜拉索上；系好保险带，将电器箱（配重）锁紧在连接杆上，防止出现坠落，产生安全事故；检查4 个摄像头位置和焦距是否合适，在视频接收的电脑里的4 个视频图像是否适中、清晰；连接电器插头，打开电源开关等待1 min，等待内部控制系统启动；按遥控器键，操作机器人上升，开始工作；通过遥控控制机器人上升与下降，发现图像不清楚的区域，控制机器人再次进行拍摄。

5.3 操作注意事项

操作时注意事项如下：机器人爬升到拉索塔端附近时， 应及时停止爬升，以免机器人撞上塔身，发生损坏；在机器 人爬升过程中，应时刻注意机器人是否存在打滑、卡死、异响等情况，如有，需及时停止机器人爬升，防止机器人损坏；自爬行机器人工作时必须保证斜拉索表面无雨水不结露；机器人爬升到拉索顶端靠近索塔时，正常情况下雷达装置会起作用，指示机器人执行下降动作，摄像系统同时停止拍摄，这时，要注意机器人是否正常下降，否则采用遥控器及时停止；机器人下降到接近桥面阻尼器位置时及时停止下降，并检查电源、摄像头及爬升机构的工作情况，在确定机器人无异常的情况下，拆卸机器人，为下一根拉索的检查做准备，拆卸时的顺序为摄像系统、电池盒、驱动机构；控制自爬行机器人的工作环境温度为-10 ℃～45 ℃；机器人进行工作时，风力宜小于6 级。

5.4 数据处理

后期数据处理主要利用配套设计的软件进行分析处理，自动化图像特征检测综合技术包括边缘检测、图像分割、图像特性分析，并根据图像判断病害类型、病害程度、病害等级等，最后形成检测报告，避免了人工图像检测的局限，提高检测效率和准确性。

6 工程应用

6.1 工程应用概况

象山港大桥主桥为双塔双索面钢箱梁五跨连续半漂浮斜拉桥，斜拉索采用1 670 MPa 平行钢丝拉索，标准索距为15 m，全桥共4×22×2=176 根斜拉索，最长376 m，最大规格为PES7-211。斜拉索外包双层HDPE 保护套，拉索表面气动措施采用螺旋线。斜拉索表观检测机器人对宁波象山港大桥的斜拉索进行了表观缺陷检测。试验对象为该斜拉桥北侧A19 号斜拉索，拉索直径范围133 mm.倾角27.8°，长度332.9 m，在检测过程中机器人可实现匀速稳定爬升并平稳下降，爬升速度为6～9 m/min，能完全满足拉索检测要求，现场检测照片如图3所示。当出现下雨情况，斜拉索表面会有水滴附着，机器人在爬升和下降过程中会出现打滑现象。

图3 检测机器人现场工作图

6.2 检测结果分析

斜拉索表观检测机器人的图像分析系统可以将拍摄到的象山港大桥拉索原始图像进行自动处理，从而实现对拉索表面伤痕的自动检测与分析。根据象山港大桥斜拉索的实际情况，拍摄到的图像基本可以分为以下四种类型：①类型Ⅰ。无螺旋线无缺陷。②类型Ⅱ。无螺旋线有缺陷。③类型Ⅲ。有螺旋线无缺陷。④类型Ⅳ。有螺旋线有缺陷。

拉索表观缺陷检测目标就是通过自动化图像处理技术，分辨出以上四种图像类型，并将有缺陷的图像记录存档。图像处理的基本要点如下：采集的图像需进行预处理，结合实际情况，分析比较了几种不同的图像灰度增强、图像平滑滤波方法的处理效果，分段线性变换、中值滤波对该图像具有更好的边缘保持性和适应性的特点，所以采用分段线性变换、中值滤波算法对采集的图像进行预处理；利用最大类间方差法对图像阴影部分进行分割，同时计算图像阴影的线性度，以归纳出不同类型的差别图像；根据图像中拉索螺旋线和缺陷之间尺寸和形状的差异性，利用阴影轮廓个数、位置、面积、圆形度和线性度等参数对图像进行识别，实际应用证明该方法简单实用，具有很好的应用效果；建立了图像识别系统，对应将存在缺陷阴影的图像数据保存在TXT 文档中。

6.2.1 类型I 图像的检测

机器人摄像系统拍摄到的原始图像中，图像属于类型Ⅰ，即无螺旋线无缺陷，如图4所示。软件系统的处理流程如图5所示。

图4 图像类型Ⅰ——无螺旋线无缺陷

图5 类型Ⅰ图像处理流程

6.2.2 类型Ⅱ图像的检测

机器人摄像系统拍摄到的原始图像中，图像属于类型Ⅱ，即无螺旋线有缺陷，如图6所示。

图6 图像类型Ⅱ——无螺旋线有缺陷

分析软件确认当前图像是否存在阴影，并判断螺旋线是否存在，确定阴影位置、大小，然后分析阴影区域线性度，判断图像存在实际缺陷，输出缺陷所在的位置信息（此处缺陷位置为182.5 m）。

6.2.3 类型III 图像的检测

机器人摄像系统拍摄到的原始图像中，图像属于类型Ⅲ，即有螺旋线无缺陷，如图7所示。

图7 图像类型Ⅲ——有螺旋线无缺陷

通过软件分析，判断图像阴影为正常螺旋线，不存在实际缺陷。

6.2.4 类型Ⅳ图像的检测

机器人摄像系统拍摄到的原始图像中，图像属于类型Ⅳ，即有螺旋线有缺陷，如图8所示。

图8 图像类型Ⅳ——有螺旋线有缺陷

通过软件分析，判断图像存在实际缺陷，输出缺陷所在的位置信息（此处缺陷位置为216.1 m）。

7 结语

随着经济和桥梁建设的不断发展，斜拉桥拉索检测机器人作为一种新型的特种机器人，将会越来越广泛应用于检测作业当中，从而取代人工作业，降低在检测过程中出现安全事故的可能性，发挥巨大的经济和社会效益。

斜拉索自爬行检测机器人在斜拉桥拉索检测的成功应用表明，该检测方法能够克服传统检测的局限性，能够实现斜拉索全面、高效、准确地检测，为斜拉桥的养护维修提供了有力的技术支撑，同时也为桥梁检测的智能化、精准化发展提供了良好的借鉴意义。相信随着科学技术的发展，在不久的将来，斜拉桥拉索机器人的自重将会逐渐降低，其功能也将日益完善，为斜拉桥的养护维修提供巨大便利。