胡菊英、黃吉桂

（1.吉林省長春市富華龍建設(shè)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(qū)域聯(lián)系，厚植發(fā)展優(yōu)勢，近些年來，我國加大了交通網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)建設(shè)力度，投入大量資源進行道路、橋梁的施工建設(shè)，逐步形成完備的交通網(wǎng)絡(luò)體系[1]。根據(jù)相關(guān)部門公布的數(shù)據(jù)，2021年橋梁數(shù)量超過80 萬座，橋梁的建成與投入使用，有效搭建起區(qū)域之間空間聯(lián)系，降低出行成本，縮短出行時間?？紤]到橋梁特殊的結(jié)構(gòu)組成，使用過程中出現(xiàn)裂縫的概率較高，為應(yīng)對這種情況，無疑需要相關(guān)技術(shù)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(shù)構(gòu)成以及主要技術(shù)特性的梳理，技術(shù)人員從整體層面形成正確的技術(shù)認知，逐步理順多足爬墻機器人運動特性，為后續(xù)其在橋梁裂縫檢測環(huán)節(jié)的應(yīng)用提供了方向性引導(dǎo)。

多足爬墻機器人作為目前成熟的機器人技術(shù)形態(tài)，從結(jié)構(gòu)組成來看，主要包括機器人本體結(jié)構(gòu)、真空吸附裝置以及控制系統(tǒng)等模塊[2]。多足爬墻機器人由于使用環(huán)境較為特殊，需要在不同平面間進行轉(zhuǎn)換，處于運動能力以及適應(yīng)能力的考量，現(xiàn)階段多足爬行機器人除了需要裝配電動機提供驅(qū)動力之外，對于爬行結(jié)構(gòu)也應(yīng)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(wù)。在這一思路的指導(dǎo)下，多足爬墻機器人主要采取六足結(jié)構(gòu)，采取腿、擺動腿以及支撐腿、踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)等仿真結(jié)構(gòu)，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(yù)定的位置，開展系列工作任務(wù)。

2 多足爬墻機器人在橋梁裂縫檢測中應(yīng)用的必要性

橋梁裂縫檢測工作體量大、任務(wù)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(shù)團隊轉(zhuǎn)換思路，將多足爬墻機器人納入橋梁裂縫檢測環(huán)節(jié)，旨在借助其設(shè)備性能與技術(shù)優(yōu)勢，實現(xiàn)橋梁裂縫檢測模式有效轉(zhuǎn)型。

2.1 現(xiàn)階段橋梁裂縫檢測基本現(xiàn)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(tài)，不僅需要從結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工角度出發(fā)，開展系統(tǒng)性的項目作業(yè)，以保證橋梁整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減少結(jié)構(gòu)性病害，更需要專業(yè)技術(shù)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(xiàn)了結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)發(fā)生頻率較高的病害，如果沒有采取必要措施加以處理應(yīng)對，極易誘發(fā)更為嚴重的安全問題。出于這種內(nèi)在的邏輯聯(lián)系，相關(guān)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(jié)構(gòu)裂縫捕捉以及評估，掌握橋梁結(jié)構(gòu)的真實狀態(tài)[3]。

基于這種實際，各地區(qū)加大對橋梁裂縫的管理力度，通過人工干預(yù)的方式，減緩橋梁結(jié)構(gòu)退化的速度，增強結(jié)構(gòu)整體強度，延長使用服務(wù)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(guān)區(qū)域，獲取結(jié)構(gòu)信息，評估裂縫狀態(tài)。

二是安裝檢測裝置實時檢測，技術(shù)團隊根據(jù)橋梁裂縫檢測要求，提前進入橋梁區(qū)域，在相關(guān)位置安裝檢測裝置，實時檢測橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)。從20世紀80年代開始，歐美一些國家在較長的一段時間內(nèi)，主要采取這種檢測技術(shù)模式，對橋梁的溫度、位移以及裂縫等情況開展追蹤，依據(jù)追蹤數(shù)據(jù)，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(jié)構(gòu)開展評估，掌握裂縫位置、深度、長度等信息數(shù)據(jù)。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(wù)狀態(tài)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(shù)的優(yōu)勢

多足爬墻機器人作為目前橋梁檢測自動化技術(shù)的主要構(gòu)成，憑借自身的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢、運動優(yōu)勢、數(shù)據(jù)獲取優(yōu)勢，在很大程度上，滿足了不同場景下，橋梁結(jié)構(gòu)裂縫檢測要求，實現(xiàn)了檢測工作的科學(xué)化、檢測內(nèi)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(xiàn)有橋梁裂縫檢測工作模式的轉(zhuǎn)型。

多足爬墻體機器人可以翻越不同的地形阻礙，實現(xiàn)運動狀態(tài)有效轉(zhuǎn)換，表現(xiàn)出較強的實用屬性，通過其技術(shù)優(yōu)勢的充分發(fā)揮，有效實現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計方案更為細致，采取了仿真處理，增設(shè)了髖關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)等結(jié)構(gòu)，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(yīng)的區(qū)域設(shè)置了電動馬達系統(tǒng)，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(qū)域。同時，六足爬墻機器人具備高精度的視覺系統(tǒng)、圖片處理系統(tǒng)，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(qū)域，利用圖像獲取設(shè)備獲取橋梁底面、側(cè)面圖片資料，評估裂縫發(fā)育程度。多足爬墻機器人在實際應(yīng)用過程中表現(xiàn)出的技術(shù)優(yōu)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(nèi)迅速完成各項橋梁裂縫檢測任務(wù)。

多足爬墻機器人還局內(nèi)遠程操控能力以及較強的學(xué)習(xí)能力，因此整體安全系數(shù)較高，檢測團隊可以借助相關(guān)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(fēng)險。

與傳統(tǒng)的橋梁底面檢測手段相比，檢測機器人系統(tǒng)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(fā)生。基于多足爬墻機器人在橋梁裂縫檢測方面的技術(shù)優(yōu)勢，越來越多的技術(shù)團隊將其引入橋梁裂縫檢測工作之中，強調(diào)通過技術(shù)的升級以及設(shè)備轉(zhuǎn)換，全面提升檢測成效，推動后續(xù)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(yīng)用路徑

多足爬行機器人在橋梁裂縫檢測中的應(yīng)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(shè)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(shè)備可操作性。

3.1 多足爬墻機器人硬件構(gòu)建方案

3.1.1 多足爬墻機器人運動結(jié)構(gòu)設(shè)計

為持續(xù)提升多足爬墻機器人對于裂縫檢測的靈活性與自主性，發(fā)揮多足爬墻機器人平臺載體作用，實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)無損檢測，技術(shù)人員在實際的技術(shù)應(yīng)用環(huán)節(jié)，需要重視起硬件系統(tǒng)，通過對本體結(jié)構(gòu)、真空吸附結(jié)構(gòu)等核心裝備的優(yōu)化設(shè)置，全面增強多足爬墻機器人攀爬能。硬件構(gòu)建環(huán)節(jié)，可以充分吸取現(xiàn)有經(jīng)驗，對運動結(jié)構(gòu)做出適當?shù)卣{(diào)整，增加髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)以及踝關(guān)節(jié)等，以運動結(jié)構(gòu)的設(shè)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(qū)間范圍內(nèi)停留較長時間，連續(xù)獲取橋梁結(jié)構(gòu)的相關(guān)資料，這就要求多足爬墻機器人在運動結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)，應(yīng)當將足部關(guān)節(jié)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(shè)備，相關(guān)設(shè)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(qū)動裝置，實現(xiàn)多足爬墻機器人平穩(wěn)運行，考慮到整個機器人運動靈活度，每個關(guān)節(jié)的驅(qū)動電機都應(yīng)當可以獨立運動，使得多足爬墻機器人可以克服橋梁結(jié)構(gòu)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(fā)過程中，技術(shù)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(qū)動電機，該電機額定扭矩為0.32N· m，轉(zhuǎn)換效率達到了90%。同時，在關(guān)節(jié)區(qū)域增設(shè)了加速器以及減速器等模塊組件，通過靈活調(diào)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(shè)計

真空吸附裝置作為整個多足爬墻機器人的核心構(gòu)成，在硬件系統(tǒng)搭建環(huán)節(jié)，需要認真做好真空發(fā)生器與真空吸盤的選型、調(diào)試等系列工作。依據(jù)現(xiàn)有的經(jīng)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(yīng)了不同場景下的技術(shù)使用需求，在實際技術(shù)應(yīng)用環(huán)節(jié)，技術(shù)團隊需要結(jié)合過往真空吸附裝置設(shè)計、應(yīng)用有關(guān)經(jīng)驗，認真做好真空吸附裝置優(yōu)化提升工作。

具體來看，由于橋梁結(jié)構(gòu)表面較為粗糙，多足爬墻機器人在開展各項任務(wù)中，往往需要依靠強大吸引力，才能夠?qū)⒍嘧闩缐C器人附著在橋梁相關(guān)位置，開展系統(tǒng)性裂縫評估以及檢測，技術(shù)人員利用采壓直流驅(qū)動隔膜泵作為真空發(fā)生器，這一設(shè)備的優(yōu)勢在于，其噪音等級較低、真空環(huán)境制造效率較快，并且氣密性較好，有效滿足現(xiàn)階段真空裝置的使用需求。采壓直流驅(qū)動隔膜泵使用環(huán)節(jié)，技術(shù)人員還需要針對性地做好設(shè)備參數(shù)調(diào)試工作，通過參數(shù)針對性調(diào)整，全面提升采壓直流驅(qū)動隔膜泵運行質(zhì)量，確保其可以充分滿足多足爬墻機器人對于真空環(huán)境使用需求。

除了做好真空吸附裝置選型以及參數(shù)調(diào)整之外，還需要對真空吸盤做好優(yōu)化，從設(shè)備運行角度來看，真空吸盤主要利用環(huán)境壓力將多足爬墻機器人固定在橋梁底部或者側(cè)面等位置，當吸盤與橋梁結(jié)構(gòu)接觸時，吸盤與外部環(huán)境之間形成較為密封空間，當多足爬墻機器人需要繼續(xù)運動時，向真空吸盤內(nèi)注入空氣，吸盤內(nèi)外氣壓差減少，機器人可以接受操作指令，沿著設(shè)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(zhì)做好選擇，避免材質(zhì)選擇不恰當影響真空吸盤的使用壽命[5]?；谶@種認知，技術(shù)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(yōu)勢，確保真空吸盤適應(yīng)粗糙度較高的橋梁裂縫檢測環(huán)節(jié)。除了做好上述技術(shù)處理之外，多足爬墻機器人的足部與吸盤的連接區(qū)域，為了控制吸盤與橋梁底部、側(cè)壁間隙，采用萬向節(jié)連接結(jié)構(gòu)，借助必要的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以使得多足爬墻機器人在傾斜結(jié)構(gòu)中，靈活調(diào)整吸盤、橋梁結(jié)構(gòu)與機器人足部之間的空間關(guān)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(nèi)，切實保障多足爬墻機器人結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3.1.3 多足爬墻機器人控制系統(tǒng)設(shè)計方案

多足爬墻機器人控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，為了提升系統(tǒng)自身的可控性，適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境，需要做好傳感器數(shù)據(jù)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(dǎo)下，技術(shù)人員將主控制器、總線控制器、真空傳感器、橋梁檢測儀器、驅(qū)動器、光電編碼器、安全閥、吸盤以及無線網(wǎng)絡(luò)適配器作為主要系統(tǒng)要素進行技術(shù)層面的串聯(lián)，使得多足爬墻機器人在地面監(jiān)測站的指揮下，可以高效驅(qū)動電機、真空電磁閥、安全閥等設(shè)備，改變多足爬墻機器人運行狀態(tài)，進入制定的檢測區(qū)域進行檢測作業(yè)。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(xù)提升橋梁檢測水平。

3.2 多足爬墻機器人軟件優(yōu)化方案

多足爬墻機器人軟件優(yōu)化主要從控制器軟件設(shè)計以及后臺監(jiān)測站軟件設(shè)計兩個層面入手，實現(xiàn)多足爬墻機器人運行前臺與檢測后臺之間數(shù)據(jù)的有效聯(lián)動，更好地提升數(shù)據(jù)處理能力。多足爬墻機器人運轉(zhuǎn)過程中，為確保技術(shù)應(yīng)用成效，應(yīng)當從實踐角度出發(fā)，將機器視覺系統(tǒng)作為切入點，從拍攝圖像中獲取橋梁底面裂縫的相關(guān)情況，以精準評估橋梁狀態(tài)。根據(jù)過往經(jīng)驗來看，機器視覺系統(tǒng)由可充電攝像機、數(shù)碼錄像機以及視覺處理系統(tǒng)組成，依托這種技術(shù)模塊構(gòu)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(huán)節(jié)，利用相應(yīng)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(guān)技術(shù)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(chǔ)上，開展裂縫檢測、長度檢查以及寬度計算等相關(guān)工作，在拼接技術(shù)的支持下，形成橋梁底部全景圖片，將全景圖片信息轉(zhuǎn)化橋梁管理系統(tǒng)信息，便于后續(xù)橋梁底面裂縫處理工作的有序開展。

除了做好上述技術(shù)處理之外，還可以利用系統(tǒng)自身的數(shù)據(jù)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(jīng)驗來看，橋梁底面裂縫的追蹤分析在多種軟件技術(shù)的驅(qū)動下，技術(shù)人員可以在較短的時間內(nèi)完成不同數(shù)據(jù)的共享以及分析。多足爬墻機器人算法，通過系統(tǒng)化的算法處理，工作人員可以在較短的時間內(nèi)，快速完成系列橋梁裂縫評估等工作，通過評估處理，技術(shù)人員可以在最短時間內(nèi)，快速作出反應(yīng)，實現(xiàn)橋梁裂縫的科學(xué)高效處置，推動橋梁項目維護管理工作的有序開展。

4 結(jié)語

橋梁裂縫檢測過程中，多足爬墻機器人表現(xiàn)出極強的技術(shù)優(yōu)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(fā)，著眼多足爬墻機器人主要技術(shù)構(gòu)成，總結(jié)以往技術(shù)經(jīng)驗，采取系統(tǒng)技術(shù)舉措，推動多足爬墻機器人在橋梁裂縫檢測中的科學(xué)化、高效化應(yīng)用。