一种用于圆柱绞线构件表面的弧面匹配式视触觉微缺陷检测装置及方法与流程

本发明涉及缺陷检测领域，尤其涉及一种用于圆柱绞线构件表面的弧面匹配式视触觉微缺陷检测装置及方法。

背景技术：

1、圆柱绞线构件广泛应用于电力输送、桥梁工程、矿山提升、起重运输、电梯系统以及航空航天等领域。该类构件通常由多根金属丝或股线按照预定节距螺旋绞合而成，具有承载能力强、柔韧性好和抗疲劳性能优异等特点。长期服役过程中，圆柱绞线构件表面受到机械磨损、交变载荷、腐蚀介质、雨雪冰冻、盐雾侵蚀、振动冲击以及外部环境等因素影响，容易产生磨损、腐蚀、点蚀坑、裂纹、断丝（断股）早期损伤、局部变形以及异物附着等缺陷。上述缺陷在早期通常尺寸较小、形貌变化不明显，但会导致局部应力集中和承载能力下降，严重时可能引发结构失效。因此，如何在不破坏构件表面的前提下，实现圆柱绞线构件表面微小缺陷的高分辨率、可量化检测，已成为相关领域的重要研究方向。

2、以架空输电导线为例，架空输电线路长期暴露于自然环境中，导线表面受到风振、覆冰、雨雪、盐雾、工业污染、雷击、电晕放电、机械磨损以及施工外力等多种因素影响，容易出现铝股磨损、局部腐蚀、点蚀坑、微裂纹、镀锌层或铝包层破损、断股早期形貌异常、散股变形以及异物附着等缺陷。上述缺陷在早期通常尺寸较小、形貌变化不明显，但会改变导线表面的局部应力分布和电场分布，长期累积后可能发展为断股、局部过热、放电、金具连接异常甚至线路跳闸事故。因此，如何在不破坏导线表面的前提下，对导线表面微小缺陷进行高分辨率、可量化检测，是输电线路状态检修和精细化运维中的重要技术问题。

3、目前，架空输电线路巡检主要采用人工登塔巡检、无人机巡检、在线监测、机器人巡检以及多光谱图像检测等方式。其中，人工巡检和登塔检修能够进行近距离观察和处理，但存在劳动强度大、效率低、安全风险高以及难以覆盖长距离线路等问题；无人机巡检具有机动性强、部署灵活等优点，但其检测结果主要依赖远距离可见光图像、红外热像或紫外成像，受拍摄距离、姿态抖动、光照变化、背景复杂、导线反光、风偏摆动以及图像分辨率等因素影响，对导线表面细小磨损、微裂纹、浅层点蚀和断股早期局部翘起等缺陷的识别能力有限；在线监测装置适合监测温度、张力、覆冰、舞动等宏观状态，但难以直接获取导线表面局部三维微观形貌。

4、现有公开技术中，已有利用巡检机器人对输电线路进行多层次探测的方案。例如，已有技术通过可见光、红外线、紫外线以及激光雷达等手段识别线路外部破损、异常发热、漏电异常以及缺陷位置。该类方案能够提高输电线路宏观巡检的信息丰富度，但其主要检测对象仍是外部破损、发热、放电等宏观或中观缺陷，检测数据多来源于非接触式图像或遥感信息，难以获得导线表面微米级或亚毫米级凹坑、裂纹深度、磨损深度以及断股早期局部形貌突变等三维几何信息。

5、现有技术中还存在针对导线断股、散股的机器视觉识别方法，通过对机巡导线图像进行预处理、图像分割、霍夫直线检测、特征提取以及分类识别来识别断股散股缺陷。该类方法能够在一定程度上提高导线断股散股的识别率，但其本质上仍属于基于二维图像的视觉检测方法。二维图像主要反映导线表面的灰度、颜色、边缘和纹理变化，对于缺陷深度、凸起高度、磨损截面轮廓以及螺旋股线之间的微小错位缺乏直接测量能力；当缺陷尺寸较小、颜色对比度低、导线表面存在油污、雨滴、反光或背景干扰时，视觉特征容易被正常绞线纹理掩盖，导致早期缺陷漏检或误检。

6、为获得物体表面更高精度的三维形貌信息，视触觉传感技术近年来被应用于机器人抓取、表面缺陷检测和精密测量等领域。典型的视触觉传感器通过透明或半透明弹性体与被测物体接触，使弹性体表面产生与被测表面形貌相对应的变形，再利用内置相机、光源和反光涂层获取弹性体变形图像，并通过光度立体视觉、标记点追踪或深度学习算法重建接触区域三维形貌。该类视触觉传感器具有较高空间分辨率，适合对局部表面微结构进行成像。

7、然而，现有多数视触觉传感器的接触界面为平面或近似平面，主要面向平面工件、规则夹持物体或实验室条件下的小尺度物体检测。当其直接用于圆柱绞线构件表面检测时，存在明显不足。首先，圆柱绞线构件通常由多根股线按照一定节距螺旋绞合形成，其外表面不是理想圆柱光滑面，而是具有明显圆柱曲率和周期性螺旋纹理的复杂曲面。平面弹性体接触头与其接触时往往只能形成局部线接触或窄带接触，实际有效接触面积较小，局部接触应力较大，容易引起弹性体变形饱和、图像畸变或者对被测表面造成二次磨损。其次，由于不同圆柱绞线构件的外径、股线节距和表面形貌存在差异，平面接触界面难以保持稳定法向贴合，扫描过程中容易发生偏斜、滑移、局部脱离或接触力突变，影响三维形貌重建的连续性和重复性。再次，正常绞线纹理本身具有明显周期性，如果直接对触觉图像或三维点云进行缺陷识别，正常股线沟槽、螺旋凸起以及光照阴影容易被误判为缺陷，而细小裂纹、浅层点蚀和局部磨损边界又可能被周期纹理淹没。

8、现有技术中也有将机器人、机械臂和视触融合传感器用于硬质材料表面缺陷检测的方案。该类方案说明视触融合技术可用于表面缺陷检测，但其检测对象主要为一般硬质材料表面，并未针对圆柱绞线构件所具有的圆柱曲率、螺旋绞线纹理、不同外径适配、恒力贴合扫描以及微缺陷三维量化等问题提出专门结构和处理方法。

9、综上，现有检测技术虽然能够实现宏观巡检、断股散股视觉识别以及多光谱异常检测，现有视触觉传感器也能够对一般物体表面进行高分辨率接触成像，但仍存在以下不足：第一，非接触式视觉检测难以直接获得圆柱绞线构件表面微小缺陷的深度、高度和截面轮廓等三维几何信息；第二，普通平面视触觉传感器与圆柱绞线表面的贴合性较差，接触面积小、局部应力大、扫描稳定性不足；第三，现有视触融合表面缺陷检测方法未针对圆柱绞线表面的圆柱曲率和螺旋周期纹理进行专门建模，容易受到正常绞线纹理干扰；第四，缺乏一种能够根据构件外径进行弧面匹配、在恒定小接触力下实现稳定贴合扫描，并将触觉三维形貌展开到圆柱坐标系中进行微缺陷识别的专用检测装置及方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：针对现有技术的不足，提供一种用于圆柱绞线构件表面的弧面匹配式视触觉微缺陷检测装置及方法，以解决现有非接触式视觉检测难以获取圆柱绞线构件表面微观三维形貌、普通平面视触觉传感器与圆柱绞线表面贴合性差、接触应力大、扫描稳定性不足以及正常绞线纹理干扰微缺陷识别的问题。

2、具体而言，本发明提供的一种用于圆柱绞线构件表面的弧面匹配式视触觉微缺陷检测装置，包括：

3、安装基座，用于与外部移动或固定作业平台连接；

4、恒力加载机构，设置于所述安装基座与弧面匹配式视触觉传感器之间，用于向待测圆柱绞线构件提供稳定的法向加载；

5、姿态调节机构，用于调节所述弧面匹配式视触觉传感器相对于待测圆柱绞线构件的接触姿态；

6、弧面匹配式视触觉传感器，通过所述恒力加载机构与所述安装基座连接，包括壳体、透明支撑件、弹性体接触头、内置相机和多角度光源；

7、所述弹性体接触头设置在所述壳体靠近待测圆柱绞线构件的一侧，所述弹性体接触头在与待测圆柱绞线构件表面接触的一侧设置弧形凹面，所述弧形凹面的曲率半径与待测圆柱绞线构件的外径相匹配，使弹性体接触头在接触过程中与待测圆柱绞线构件外表面形成弧面贴合接触；所述透明支撑件设置于弹性体接触头与内置相机之间，用于支撑弹性体接触头并形成光学成像通道；所述多角度光源用于从不同方向照射弹性体接触头的内侧表面；所述内置相机用于获取弹性体接触头在待测圆柱绞线构件表面微形貌作用下产生的变形图像；

8、以及图像处理单元，用于接收所述弧面匹配式视触觉传感器采集的弹性体变形图像并重建待测圆柱绞线构件表面三维形貌。

9、一种利用所述检测装置的圆柱绞线构件表面的弧面匹配式视触觉微缺陷检测方法，包括如下步骤：

10、s1、获取待测圆柱绞线构件的外径参数、外层股线直径、绞线节距和轴向方向，根据所述外径参数、外层股线直径和预设接触压缩量确定弧形凹面的目标曲率半径，并选择或调整与待测圆柱绞线构件外径相匹配的弧面匹配式视触觉传感器；

11、s2、驱动所述弧面匹配式视触觉传感器接近待测圆柱绞线构件，并通过姿态调节机构调整所述弧面匹配式视触觉传感器的接触姿态，使所述弹性体接触头的弧形凹面的轴向方向与待测圆柱绞线构件的轴向方向对准；

12、s3、通过恒力加载机构控制所述弹性体接触头以预设恒定接触力贴合于待测圆柱绞线构件表面，使所述弧形凹面与待测圆柱绞线构件外表面形成弧面贴合接触；

13、s4、沿待测圆柱绞线构件轴向移动所述弧面匹配式视触觉传感器进行连续扫描，在扫描过程中通过实时分析弹性体变形图像中的股线纹理周期动态调整扫描速度，使图像采集频率与绞线节距保持整数倍关系，同时利用内置相机采集弹性体变形图像序列；

14、s5、根据所述弹性体变形图像序列，采用三维形貌重建算法重建待测圆柱绞线构件表面的局部三维形貌；

15、s6、对所述局部三维形貌进行圆柱坐标展开，获得二维展开形貌图，并对所述二维展开形貌图进行绞线周期纹理基准扣除处理，获得缺陷增强形貌图；

16、s7、根据所述缺陷增强形貌图提取微缺陷几何特征，并根据所述微缺陷几何特征判定缺陷类型、缺陷位置和缺陷严重等级。

17、本发明提供的有益效果是：

18、第一，本发明采用与待测圆柱绞线构件外表面曲率相匹配的弧形凹面弹性体接触头，使视触觉传感器与圆柱绞线表面由传统的窄带接触或线接触转变为弧面贴合接触，能够增大有效接触面积、降低局部接触应力并提高接触稳定性；第二，本发明通过恒力加载机构控制弹性体接触头以较小且稳定的法向接触力贴合待测圆柱绞线构件表面，能够在复制其微观形貌的同时降低对表面保护层或金属股线表面的二次损伤风险；第三，本发明通过内置相机和多角度光源获取弹性体变形图像，并重建待测圆柱绞线构件局部三维形貌，能够获得二维视觉图像难以直接提供的缺陷深度、高度和截面轮廓信息；第四，本发明针对圆柱绞线构件的圆柱曲率和螺旋绞线纹理，提出圆柱坐标展开和绞线周期纹理基准扣除方法，能够抑制正常股线纹理对缺陷识别的干扰，提高表面裂纹、点蚀、磨损、断丝或断股早期形貌异常的识别可靠性；第五，本发明的检测装置可安装于巡检机器人、无人机机械臂、钢索悬挂式移动平台、地面机械臂、绝缘操作杆或其他移动检测平台末端，具有较好的工程适配性和推广价值。