徐懋剛

（寧波交通工程建設集團有限公司，浙江 寧波 315000）

1 引言

斜拉橋的拉索長期暴露在空氣中，在風吹、日曬、雨淋等各種環(huán)境因素的影響下，其表面會出現(xiàn)不同程度的腐蝕、開裂和內(nèi)部鋼絲斷裂的現(xiàn)象，將影響橋梁結構的安全。為了降低纜索的不確定破壞而造成的損失，定期對纜索進行內(nèi)外部檢測、涂裝或修復，改善大橋的使用安全和外觀是十分必要的。

目前，中國對拉索的檢測主要有以下幾種方式：人工目測法、搭設支架法、卷揚機探傷法、采用吊籃檢測維護，以上4 種方式檢查效率低下，費時費力，且檢測成本高，在人工操作過程中，登高存在極大的安全隱患，風險大。近年來，中國逐漸開始研究斜拉索檢測機器人，成功研制了采用電驅動式、氣動蠕動式兩種纜索機器人樣機，并且在上海徐浦大橋和南浦大橋上進行了試驗。然而，這兩種試驗樣機都比較笨重，體積大，重量都在150 kg 以上，安裝調(diào)試不方便。在寧波象山港大橋斜拉索檢測中研發(fā)了爬行穩(wěn)定、性能優(yōu)越的機器人，取得了良好的檢測效果。

2 機器人設計思路

目前，斜拉橋拉索的形狀主要為圓柱形，是由若干單根鋼絲采用不同的形式集合而成，外層有聚乙烯作防護套，在橋梁上位置較高、長度較長，傾斜度一般在30°～90°。斜拉索直徑有多種規(guī)格，一般在70～270 mm。另外，由于自重作用與鋼絲松弛，拉索有一定的撓度。

拉索表觀檢測機器人總體上分為爬升系統(tǒng)和視覺檢測系統(tǒng)兩部分，其總體設計思路為：①拉索的自爬升機構既要使機器人適合在特定形狀的纜索上登高，又必須有足夠大的驅動能力，以克服爬升機構本身自重，并能承載一定負荷的檢測裝置。另一方面，對于因大橋過往車輛和河面高處大風等引起的拉索振動，以及拉索自身具有的大傾斜度和撓度，要求機器人都能正常、安全地完成現(xiàn)場的檢測作業(yè)。②拉索的視覺檢測系統(tǒng)用于實時拍攝拉索表面狀況，通過后續(xù)圖像處理來檢測拉索表面的典型缺陷，如凹坑、劃痕、破損、老化等。

另外，視覺系統(tǒng)要能夠與爬升系統(tǒng)的位置信息進行同步，記錄所拍攝圖像的位置信息，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)整理。圖像信息可保存于硬盤中，為各拉索建立一個表觀狀況檔案庫，并為進一步分析處理提供依據(jù)。

2.1 爬升系統(tǒng)

爬升系統(tǒng)是機器人上升動力的來源，上端有兩個主動輪，下端有一個主動輪，分別由兩個步進電機驅動。下端的驅動輪通過杠桿機構向內(nèi)側產(chǎn)生正壓力，使3 個輪子包裹住斜拉索，產(chǎn)生足夠的摩擦力。由于爬升過程中受到風力的影響，機器人可能會出現(xiàn)重心移動和偏轉的情況，傳統(tǒng)的做法是加裝重力錘，本系統(tǒng)把電池、控制器等部件放在整機的下半位置，使整機的重心不在斜拉索直徑方位內(nèi)，因此能保證一種穩(wěn)定姿態(tài)運行，不會發(fā)生反轉問題。爬升系統(tǒng)基本構造如圖1所示。

2.2 視覺檢測系統(tǒng)

視覺檢測系統(tǒng)可分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分。硬件系統(tǒng)包括整體框架和攝像系統(tǒng)，攝像系統(tǒng)由直流電源、高端工控機、工業(yè)相機、紅色LED 專業(yè)光源構成，且保證所拍攝圖像能夠360°覆蓋斜拉索表面。整個攝像系統(tǒng)固定在一個長方體鋁合金框架上，且表面封閉。視覺檢測的軟件部分能夠自動存儲四個攝像機所拍攝的圖像及位置，并利用圖像處理中的神經(jīng)網(wǎng)絡算法實現(xiàn)對選定圖像進行自動化表面缺陷檢測。另外，攝像系統(tǒng)中采用暗箱內(nèi)設置固定光源的做法是一項創(chuàng)新。通過紅色LED 條形光源相對與檢測面45°夾角的打光，構造出能夠清楚顯示出斜拉索缺陷的光照環(huán)境，封閉的環(huán)境很好保護了本地的光照情況，避免了外在光線的干擾，提高了軟件系統(tǒng)圖像缺陷識別的效率。

圖1 爬升系統(tǒng)基本構造圖

3 工作原理

斜拉索表觀缺陷檢測機器人的基本工作結構如圖2所示。主控制器在整個爬升檢測機器人系統(tǒng)中發(fā)揮著控制和調(diào)度的作用，這些功能是通過控制器與各功能模塊的數(shù)據(jù)和控制接口來實現(xiàn)的。拉索檢測機器人能實時地監(jiān)控檢測機器人的工作狀態(tài)，其中包括系統(tǒng)工作時的兩塊電池電量和工作電流情況，應保證剩余電量足以提供機器人的往返工作，減少故障發(fā)生概率。機器人在收到開始工作信號時，主控制器產(chǎn)生運動控制脈沖信號經(jīng)電機的驅動電路將脈寬信號轉換為相應極性和相應功率的輸出電流，以驅動電機按指定的轉速和轉向工作。同時在機器人的傳動系統(tǒng)中安裝了旋轉編碼器，用于記錄機器人爬行的距離，通過運動距離及加速度傳感器將機器人的運動狀態(tài)反饋給控制器，實現(xiàn)機器人運動的閉環(huán)控制。另外，機器人前后端配置了雷達裝置以實現(xiàn)機器人在高處接近橋塔表面時自動停止，同時進入返回模式。

圖2 斜拉索表觀缺陷檢測機器人工作結構圖

拉索表觀檢測機器人工作時，通過無線遙控主控制器實現(xiàn)爬升機構的爬升和停止，攝像系統(tǒng)同時進行拉索表觀圖像的拍攝工作。相機采用高幀率CCD 相機，確保圖像的高質(zhì)量，避免因為速度而產(chǎn)生的拖影模糊等情況。通過網(wǎng)口通信，工業(yè)相機將圖像傳給工控機，工控機的控制系統(tǒng)將拍攝的圖像根據(jù)不同相機、不同時間分類自動保存在外接USB 存儲盤中。現(xiàn)場拉索圖像拍攝結束后，軟件系統(tǒng)對拍攝好的圖像進行自動分析與離線處理，給出拉索外觀的實際檢測結果。

4 檢測機器人的組成

整機主要分為主驅動部分、電器箱和攝像盒子三部分。主驅動部分由三個主動輪、兩個電機、其他機械設備組成，是推動整機上升的動力部分。電器箱內(nèi)有電池和控制元器件，是整機的控制中樞，另外也有配重的功能。攝像盒內(nèi)主要用工控機、光源和攝像頭，對整機攝像。檢測機器人的主要參數(shù)如表1所示。

表1 檢測機器人的主要參數(shù)

5 檢測方法

5.1 施工前準備

搜集要進行檢測的橋梁的相關信息，與相關人員進行技術交底工作，熟悉橋梁工程圖紙，做好相關準備。對橋梁進行封道警示，防止在檢測作業(yè)過程中非工作人員進入，發(fā)生安全事故。

5.2 儀器安裝

儀器安裝過程如下：首先檢查自爬行機器人是否能夠正常工作，安裝前檢查電機電池、攝像頭電池的電量是否充足，主動輪是否磨損等；根據(jù)拉索直徑選擇合適的孔位對齊安裝，將驅動主體上的安全連桿打開，輔助彈簧松掉，然后將主體套入斜拉索上，再依次將安全連桿鎖緊，輔助彈簧擰緊，將下部兩個棘輪拌扣調(diào)整，然后反復壓緊，使下輪緊緊貼合在斜拉索上；系好保險帶，將電器箱（配重）鎖緊在連接桿上，防止出現(xiàn)墜落，產(chǎn)生安全事故；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 個視頻圖像是否適中、清晰；連接電器插頭，打開電源開關等待1 min，等待內(nèi)部控制系統(tǒng)啟動；按遙控器鍵，操作機器人上升，開始工作；通過遙控控制機器人上升與下降，發(fā)現(xiàn)圖像不清楚的區(qū)域，控制機器人再次進行拍攝。

5.3 操作注意事項

操作時注意事項如下：機器人爬升到拉索塔端附近時， 應及時停止爬升，以免機器人撞上塔身，發(fā)生損壞；在機器 人爬升過程中，應時刻注意機器人是否存在打滑、卡死、異響等情況，如有，需及時停止機器人爬升，防止機器人損壞；自爬行機器人工作時必須保證斜拉索表面無雨水不結露；機器人爬升到拉索頂端靠近索塔時，正常情況下雷達裝置會起作用，指示機器人執(zhí)行下降動作，攝像系統(tǒng)同時停止拍攝，這時，要注意機器人是否正常下降，否則采用遙控器及時停止；機器人下降到接近橋面阻尼器位置時及時停止下降，并檢查電源、攝像頭及爬升機構的工作情況，在確定機器人無異常的情況下，拆卸機器人，為下一根拉索的檢查做準備，拆卸時的順序為攝像系統(tǒng)、電池盒、驅動機構；控制自爬行機器人的工作環(huán)境溫度為-10 ℃～45 ℃；機器人進行工作時，風力宜小于6 級。

5.4 數(shù)據(jù)處理

后期數(shù)據(jù)處理主要利用配套設計的軟件進行分析處理，自動化圖像特征檢測綜合技術包括邊緣檢測、圖像分割、圖像特性分析，并根據(jù)圖像判斷病害類型、病害程度、病害等級等，最后形成檢測報告，避免了人工圖像檢測的局限，提高檢測效率和準確性。

6 工程應用

6.1 工程應用概況

象山港大橋主橋為雙塔雙索面鋼箱梁五跨連續(xù)半漂浮斜拉橋，斜拉索采用1 670 MPa 平行鋼絲拉索，標準索距為15 m，全橋共4×22×2=176 根斜拉索，最長376 m，最大規(guī)格為PES7-211。斜拉索外包雙層HDPE 保護套，拉索表面氣動措施采用螺旋線。斜拉索表觀檢測機器人對寧波象山港大橋的斜拉索進行了表觀缺陷檢測。試驗對象為該斜拉橋北側A19 號斜拉索，拉索直徑范圍133 mm.傾角27.8°，長度332.9 m，在檢測過程中機器人可實現(xiàn)勻速穩(wěn)定爬升并平穩(wěn)下降，爬升速度為6～9 m/min，能完全滿足拉索檢測要求，現(xiàn)場檢測照片如圖3所示。當出現(xiàn)下雨情況，斜拉索表面會有水滴附著，機器人在爬升和下降過程中會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

圖3 檢測機器人現(xiàn)場工作圖

6.2 檢測結果分析

斜拉索表觀檢測機器人的圖像分析系統(tǒng)可以將拍攝到的象山港大橋拉索原始圖像進行自動處理，從而實現(xiàn)對拉索表面?zhèn)鄣淖詣訖z測與分析。根據(jù)象山港大橋斜拉索的實際情況，拍攝到的圖像基本可以分為以下四種類型：①類型Ⅰ。無螺旋線無缺陷。②類型Ⅱ。無螺旋線有缺陷。③類型Ⅲ。有螺旋線無缺陷。④類型Ⅳ。有螺旋線有缺陷。

拉索表觀缺陷檢測目標就是通過自動化圖像處理技術，分辨出以上四種圖像類型，并將有缺陷的圖像記錄存檔。圖像處理的基本要點如下：采集的圖像需進行預處理，結合實際情況，分析比較了幾種不同的圖像灰度增強、圖像平滑濾波方法的處理效果，分段線性變換、中值濾波對該圖像具有更好的邊緣保持性和適應性的特點，所以采用分段線性變換、中值濾波算法對采集的圖像進行預處理；利用最大類間方差法對圖像陰影部分進行分割，同時計算圖像陰影的線性度，以歸納出不同類型的差別圖像；根據(jù)圖像中拉索螺旋線和缺陷之間尺寸和形狀的差異性，利用陰影輪廓個數(shù)、位置、面積、圓形度和線性度等參數(shù)對圖像進行識別，實際應用證明該方法簡單實用，具有很好的應用效果；建立了圖像識別系統(tǒng)，對應將存在缺陷陰影的圖像數(shù)據(jù)保存在TXT 文檔中。

6.2.1 類型I 圖像的檢測

機器人攝像系統(tǒng)拍攝到的原始圖像中，圖像屬于類型Ⅰ，即無螺旋線無缺陷，如圖4所示。軟件系統(tǒng)的處理流程如圖5所示。

圖4 圖像類型Ⅰ——無螺旋線無缺陷

圖5 類型Ⅰ圖像處理流程

6.2.2 類型Ⅱ圖像的檢測

機器人攝像系統(tǒng)拍攝到的原始圖像中，圖像屬于類型Ⅱ，即無螺旋線有缺陷，如圖6所示。

圖6 圖像類型Ⅱ——無螺旋線有缺陷

分析軟件確認當前圖像是否存在陰影，并判斷螺旋線是否存在，確定陰影位置、大小，然后分析陰影區(qū)域線性度，判斷圖像存在實際缺陷，輸出缺陷所在的位置信息（此處缺陷位置為182.5 m）。

6.2.3 類型III 圖像的檢測

機器人攝像系統(tǒng)拍攝到的原始圖像中，圖像屬于類型Ⅲ，即有螺旋線無缺陷，如圖7所示。

圖7 圖像類型Ⅲ——有螺旋線無缺陷

通過軟件分析，判斷圖像陰影為正常螺旋線，不存在實際缺陷。

6.2.4 類型Ⅳ圖像的檢測

機器人攝像系統(tǒng)拍攝到的原始圖像中，圖像屬于類型Ⅳ，即有螺旋線有缺陷，如圖8所示。

圖8 圖像類型Ⅳ——有螺旋線有缺陷

通過軟件分析，判斷圖像存在實際缺陷，輸出缺陷所在的位置信息（此處缺陷位置為216.1 m）。

7 結語

隨著經(jīng)濟和橋梁建設的不斷發(fā)展，斜拉橋拉索檢測機器人作為一種新型的特種機器人，將會越來越廣泛應用于檢測作業(yè)當中，從而取代人工作業(yè)，降低在檢測過程中出現(xiàn)安全事故的可能性，發(fā)揮巨大的經(jīng)濟和社會效益。

斜拉索自爬行檢測機器人在斜拉橋拉索檢測的成功應用表明，該檢測方法能夠克服傳統(tǒng)檢測的局限性，能夠實現(xiàn)斜拉索全面、高效、準確地檢測，為斜拉橋的養(yǎng)護維修提供了有力的技術支撐，同時也為橋梁檢測的智能化、精準化發(fā)展提供了良好的借鑒意義。相信隨著科學技術的發(fā)展，在不久的將來，斜拉橋拉索機器人的自重將會逐漸降低，其功能也將日益完善，為斜拉橋的養(yǎng)護維修提供巨大便利。