機器人在斜拉橋拉索外觀檢測中的應用研究

■賴 雄

(福建省交通建設工程試驗檢測有限公司，福州 350001)

1 引言

斜拉橋作為現(xiàn)代橋梁的新形式，在世界范圍內得到了廣泛的應用。拉索作為斜拉橋的主要構件之一，造價占整座橋梁的2%～3%，其使用壽命是最值得關注的內容之一。由于斜拉橋拉索長期處于露天服役狀態(tài)，經風吹雨淋日曬，其聚乙烯護套會產生不同程度的硬化和開裂現(xiàn)象，從而使護套內的鋼絲束發(fā)生腐蝕。另外，隨機振動也會引起鋼絲的磨損，這些都會影響拉索的使用壽命，給斜拉橋的正常使用埋下嚴重的隱患。

大跨徑斜拉橋己經成為中國大型橋梁的最主要的型式，在跨越大江大河和海洋島嶼的眾多橋梁中，斜拉橋的數(shù)量最多。在組成斜拉橋的橋塔、斜拉索和主梁三部分中都存在一個難以檢查的現(xiàn)實：橋梁檢測工程師很難近距離觀察橋梁的每處角落，甚至無法接近所需檢查的部位，尤其是斜拉索，一旦安裝調試完畢，我們很難再對其繼續(xù)觀察和檢測。

2 檢索機器人簡介

2.1 工作原理

2.1.1 組成結構

檢索機器人由一臺主動小車和一臺從動小車組成，從動小車的上、下從動輪用彈簧連接，提供機構對拉索的夾緊力，通過上下兩套連接件將兩臺小車連成長桶形并相對布于拉索兩側，通過連接設置在連接板上的不同距離螺孔，可方便調整連接位置以安裝于不同直徑的拉索。在此兩套連接件上分別設置一套防偏裝置，每套防偏裝置由4個防偏萬向輪及相應的4個連接桿桿件組成，當機器人運行過程中發(fā)生偏離拉索時，至少有一對萬向輪抵住拉索，防止機構偏離索道。為增大接觸面積、減少磨損、防止機構偏離拉索造成鎖死現(xiàn)象，主、從動輪加工成“V”字形，可防止車體偏離拉索。整個機構自重5.5 kg，電池和CCD攝像機及附加裝置共重35kg。機器人爬升力由主動輪與拉索表面摩擦力提供。整個機構只有一個動力輪，采用鑄鋁澆鑄硬橡膠制成，可增加與拉索表面摩擦系數(shù)。機器人照片如圖1所示。

圖1 斜拉索檢測機器人圖片

2.1.2 工作原理

檢索機器人的工作原理如圖2所示。為了檢測拉索表面保護層的破損情況，設計的視覺檢測系統(tǒng)，其硬件檢測系統(tǒng)由4臺攝像機、主控制器和數(shù)據(jù)存儲器組成。其工作方式是當機器人在拉索上爬升時，控制器以循環(huán)的方式將4臺攝像機圖像分時傳輸給數(shù)據(jù)存儲器，以實現(xiàn)對拉索表面保護層全方位圖像的存儲，同時通過視頻合成器將4路視頻合成為一路監(jiān)控視頻，并通過無線傳輸子系統(tǒng)傳輸?shù)降?面監(jiān)控系統(tǒng)的PC機上。

圖2 檢索機器人的工作原理

2.1.3 主要參數(shù)

檢索機器人的主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 斜拉索檢測機器人的主要參數(shù)

2.2 檢測范圍

(1)可以檢測光面PE保護層的斜拉索，如圖3所示。

圖3 檢測光面PE保護層

(2)可以檢測非光面PE保護層的斜拉索如圖4所示。

圖4 檢測非光面PE保護層

目前斜拉索檢測機器人僅限于對斜拉索表面保護層進行檢測(如圖5)。

圖5 檢測表面保護層

3 工程應用實例

利用斜拉索檢測機器人檢測的工程項目有：福州瑯岐閩江大橋斜拉索檢測、福州繞城長門特大橋斜拉索檢測、福州淮安大橋斜拉索檢測、福建廈漳跨海大橋斜拉索檢測、龍?？绾４髽蛐崩鳈z測。工程實例照片如圖6～8所示。

圖6 福州瑯岐閩江大橋斜拉索檢測

圖7 福州淮安大橋斜拉索檢測

圖8 龍海跨海大橋斜拉索檢測

4 使用主要步驟及注意事項

4.1 檢測前的準備

4.1.1 工程概況

(1)斜拉索PE類型

斜拉索的PE類型按外觀分為光面索和非光面索，非光面索又分為凸凹面索和螺旋線形索。了解斜拉索PE的類型，可以掌握在檢測過程中主動輪的磨損頻率、檢索機器人爬索的難易程度以及檢測的進度等。

(2)斜拉索參數(shù)

查閱斜拉索的相關資料，詳細掌握被檢測斜拉索的拉索直徑、斜拉索傾角、斜拉索錨固長度等。掌握斜拉索直徑為安裝機器人時瞄準哪個螺孔做好準備工作；斜拉索傾角結合斜拉索PE類型可以了解哪些斜拉索由于傾角過大不能檢測、能檢測的斜拉索哪些靠自重能自動下滑、哪些靠自重不能下滑等。

(3)檢測環(huán)境

由于檢測時接收視頻信號的天線及筆記本電腦需要220V的交流電，故在進行正式檢測之前需要了解斜拉橋橋面220V交流電的供應情況，確保檢測所需的電源。

由于很多斜拉橋的斜拉索靠近梁端都安裝有減震裝置，有的斜拉索靠近梁端還安裝有索力傳感器，這些障礙都會影響檢索機器人對斜拉索外觀的檢測。故在正式檢測之前了解清楚越過這些障礙至少離橋面多高，根據(jù)這個高度準備好檢測輔助工具，如鋁合金人字梯、路燈車等。

4.1.2 檢索機器人的調試

首先檢測檢索機器人是否能夠正常工作。為了保證檢測工作的順利進行，至少準備3臺檢索機器人，1臺是救援機器人，另兩臺是檢測機器人。其次檢查檢索機器人配件，如電機電池、攝像頭電池、遙控器等是否完好。最后檢查安裝、拆卸、維修機器人的工具及 易損構件(如主動輪等)是否齊全，充足。

4.2 檢索機器人檢測過程

4.2.1 檢索機器人的安裝

(1)檢索機器人安裝前須檢查電機電池、攝像頭電池的電量是否充足，主動輪是否磨損等。

(2)根據(jù)拉索直徑、PE類型選擇合適的螺栓孔對齊安裝，安裝完畢檢查機器人能否輕松沿拉索上下爬行，確保松開彈簧撐桿后機器人上下爬行時所有主動輪和從動輪與拉索接觸良好。在安裝機器人的過程中，注意機器人與拉索的握裹力適中。若握裹力過小，則機器人輪子打滑無法上下；若握裹力過大，則機器人爬不動、易損壞主動輪、消耗電量、無法越過障礙物等。

(3)安裝完畢后，連接好電機電源線，檢查遙控器能否準確及時的控制機器人的上下；然后連接好攝像頭與四合一卡的連線及攝像頭的電源線，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個視頻頭像是否適中、清晰。

4.2.2 檢索機器人檢測過程

(1)檢索機器人安裝、檢查完畢后，視頻接收的電腦軟件開始自動采集視頻。在機器人爬升過程中，時刻注意采集的視頻，發(fā)現(xiàn)機器人一旦卡住(以免磨損主動輪、卡 死機器人)，及時停止機器人爬升。

(2)機器人爬升到拉索塔端附近時，及時停止作業(yè)，以免機器人撞上塔身而損壞。

(3)在機器人下降到接近梁端時及時停止下降，并及時派人護住機器人。

4.2.3 檢索機器人的拆卸

(1)在機器人下降到接近梁端時及時停止下降，并及時派人去護住機器人、停止視頻采集。

(2)斷掉攝像頭與四合一卡的連線及攝像頭的 電源線及電機電源等。

(3)上緊彈簧撐桿，松開一側螺栓，取下機器人。

4.3 后期視頻文件處理

利用KMPlayer播放器等轉化為圖片文件。

(1)首先對采集的視頻文件利用視頻處理軟件將視頻中機器人下降、停止及重復上升部分剪掉，然 后將有效的爬升部分粘合成有效的視頻文件。

(2)利用KMPlayer播放器將有效視頻轉換成照片。由于檢索機器人正常爬升的速度為0.2～0.25m/s，故視頻轉化成圖片的頻率為5張/s。

(3)利用自動圖片播放器對截取的圖片進行分析處理，找出有病害的圖片，根據(jù)圖片編號找出對應拉索的部位，并根據(jù)照片判斷病害類型、病害程度、病害等級等，最后形成報告。

5 結束語

本文所提及的斜拉索檢測機器人可對不同直徑、任意傾斜角的斜拉橋拉索進行無損檢測，具有體積小、重量輕、安全可靠等特點，有良好的應用前景。如在機器人上配備CCD攝像設備或涂料噴涂設備，機器人還可以對拉索表面狀況進行攝像或噴涂維護工作。