一种铁路桥梁表面裂纹自动检测机器人及检测方法与流程

1.本发明涉及桥梁检测技术领域，尤其是针对提高铁路桥梁安全和损伤评估精确性而提供的一种检测装置和方法，具体涉及一种铁路桥梁表面裂纹自动检测机器人及检测方法。


背景技术：

2.重载铁路输送能力大，经济和社会效益显著，发展铁路重载运输，已成为世界各国铁路运输发展的方向。
3.桥梁表面裂纹是混凝土结构劣化的直接表现形式，并影响着桥梁结构的安全性、适用性和耐久性。大多数的混凝土结构研究都将裂纹作为决策过程中的一个重要因素，并将混凝土梁和面板详细裂纹模式与不同加载阶段的定量损伤状态联系起来。裂纹检测是检查桥梁结构健康状况的一项基本任务。对于重载铁路梁桥，长期处于高频率和高水平的荷载作用下，荷载成为了这一类型桥梁劣化的主要影响因素。由于重载铁路梁桥底面受到的拉应力最大，这导致初始裂纹和最宽裂纹往往都位于桥梁底面。因此，实现重载铁路桥梁底面详细裂纹的精确检测和量化，对评估桥梁结构安全和损伤程度具有重要意义。
4.重载铁路采用封闭式运营方式，所以只能在天窗期进行运营检测与维护。为了保障桥梁的正常使用功能，延长使用寿命，需要采用一种更加高效、精准、智能化的技术对桥梁进行日常巡检。目前桥梁工程中较为先进的检测机器人有桥梁检测车、巡检无人机、攀岩机器人、爬升机器人、基于管道风扇的爬墙机器人和基于抓爪的机器人等。受到铁路桥梁结构形式和工况的影响，这些检测机器人均有一定的局限性。
5.(1)巡检无人机，虽然在一定程度上提高了巡检的智能化，降低了检测的难度，但是存在抗风能力弱、稳定性较差、定位精度不高等问题，并且无人机本身会存在安全距离的限制，很难实现对微裂纹的识别和裂纹的精确量化。
6.(2)攀岩机器人，通常使用磁力或负压吸力来粘附在表面上，但对于由混凝土建造的桥梁，它不够规则和光滑，无法确保良好的粘附性。
7.(3)爬升机器人、基于管道风扇的爬墙机器人和基于抓爪的机器人，虽然这些机器人可以在垂直墙上工作，但它们不能在桥梁底面行走，这限制了它们对桥梁底面裂纹的检测。由于铁路梁桥底面受到的拉应力最大，初始裂纹和最宽裂纹往往都位于桥梁底面。
8.(4)桥梁检测车，需要通过高自由度的机械臂才能完成桥梁底面裂纹检测，这对操作人员提出了很高的技术要求，降低了裂纹检测的效率。另外，桥梁检测车体积往往很大，由于天窗期还会有维修专用车经过，检测系统必须安装在铁路排水沟处，因受到铁路桥梁排水沟宽度的限制，难以在铁路桥梁上进行裂纹检测。


技术实现要素：

9.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种铁路桥梁表面裂纹自动检测机器人及检测方法，以便在实现自动化和智能化检测的基础上，提高检测的效率和精度。
10.根据本技术的第一方面，提供一种铁路桥梁表面裂纹自动检测机器人，包括控制装置、图像采集装置、图像后处理系统、驱动图像采集装置纵横移动的驱动装置以及带动驱动装置翻转至桥梁下侧且将其与桥梁栏杆挂接固定的悬挂装置；所述图像后处理系统与图像采集装置电连接而构成执行装置，图像后处理系统包括能够运行所开发软件的硬件设备。还包括供电装置，供电装置包括移动电源，供电装置分别与控制装置、悬挂装置、驱动装置和执行装置连接，具体地，供电装置与控制装置连接；供电装置与悬挂装置中的电机连接；供电装置与驱动装置中的电机连接；供电装置与执行装置中的相机和相机补光装置连接。
11.所述控制装置分别图像采集装置、驱动装置和悬挂装置电连接；具体地，控制装置包括悬挂装置控制单元、驱动装置控制单元和图像采集装置控制单元；所述悬挂装置控制单元和驱动装置控制单元具有编程能力。悬挂装置控制单元与悬挂装置中的上、下端电机连接；驱动装置控制单元与驱动装置中的电机连接；图像采集装置控制器与执行装置中的相机连接，控制相机拍摄频率，所述控制装置放置在铁路桥梁两端安全区域。
12.进一步，所述悬挂装置包括分布在两侧的悬挂组件，所述悬挂组件包括固定杆、机械臂和驱动装置支撑杆，所述机械臂的顶部与固定杆连接，底部通过机械臂转动关节与驱动装置支撑杆转动铰接；两根机械臂的顶部之间横跨转动装配有通过上端电机驱动转动的上端驱动轴，所述上端转动轴的两端均安装有滑轮，所述滑轮上缠绕有驱动绳索，所述驱动绳索的自由端与对应侧的驱动装置支撑杆连接；两侧的机械臂转动关节之间横跨连接有通过下端电机驱动转动的下端驱动轴。实施时，通过上端电机牵引机械臂转动，结合下端电机带动驱动装置支撑杆相对机械臂转动关节转动，即可实现驱动装置支撑杆的展开或收拢。
13.进一步，所述机械臂上设置有绳索限位槽。
14.进一步，所述驱动装置包括设置在两侧的纵向传动机构以及横跨连接在纵向传动机构执行端的横向传动机构，所述纵向传动机构和横向传动机构分别通过纵向传动电机和横向传动电机驱动。
15.进一步，两侧的纵向传动机构的两端分别横跨连接有第一传动轴和第二传动轴。
16.进一步，所述图像采集装置包括安装在横向传动机构执行端的图像采集装置底座以及安装在图像采集装置底座上的相机和相机补光装置。
17.进一步，所述驱动装置支撑杆上设置有绳索固定装置，所述驱动绳索的自由端与绳索固定装置连接。
18.进一步，所述绳索固定装置包括与驱动装置支撑杆固定连接的固定轴、与固定轴转动套接的转动环以及设置在固定轴外侧端的限位板，所述驱动绳索的自由端与转动环连接。
19.根据本技术的第二方面，提供一种采用上述机器人进行铁路桥梁表面裂纹自动检测的方法，包括如下步骤：
20.s1：通过悬挂装置将驱动装置和图像采集装置展开至铁路桥梁下侧，并使悬挂装置与桥梁栏杆挂接固定；
21.s2：启动驱动装置和图像采集装置，通过驱动装置带动图像采集装置纵横移动，自动化完成铁路桥梁底面裂纹的扫描拍摄；
22.s3：启动图像后处理系统，基于图像拼接算法合成铁路桥梁底面全景图，基于深度
学习算法识别全景图裂纹，基于裂纹自动量化算法量化桥梁底面裂纹；
23.s4：输出铁路桥梁底面裂纹全景图，输出铁路桥梁底面裂纹宽度分布、长度分布、角度分布和面积分布，完成一次铁路桥梁裂纹检测。
24.本发明的有益效果：
25.本发明提供了一种铁路桥梁表面裂纹自动检测机器人及检测方法，该机器人，包括控制装置、图像采集装置、驱动图像采集装置纵横移动的驱动装置以及带动驱动装置翻转至桥梁下侧且将其与桥梁栏杆挂接固定的悬挂装置；所述控制装置分别图像采集装置、驱动装置和悬挂装置电连接。应用时，通过悬挂装置即可快速、便捷的将驱动装置翻转至桥梁下侧并固定，再结合驱动装置带动图像采集装置纵横移动，实现铁路桥梁底面裂纹宽度分布、长度分布、角度分布和面积分布的自动化获取，有效提高了桥梁表面裂纹的检测效率和精度。
附图说明
26.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
27.图1示出了本技术实施例所提供的一种铁路桥梁表面裂纹自动检测机器人的整体结构；
28.图2示出了本技术实施例所提供的一种悬挂装置；
29.图3示出了本技术实施例所提供的一种驱动装置和图像采集装置；
30.图4示出了本技术实施例所提供的一种绳索固定装置；
31.图5示出了本技术实施例所提供的一种悬挂装置的展开顺序。
32.其中，1、悬挂装置，11、固定杆，12、滑动套筒，13、上端电机，14、上端驱动轴，15、滑轮，16、机械臂，17、驱动绳索，18、绳索限位槽，19、下端电机，110、下端驱动轴，111、机械臂转动关节，112、绳索固定装置，113、驱动装置支撑杆，1121、限位板，1122、转动环，1123、固定轴
33.2、驱动装置，21、纵向传动电机，22、纵向传动机构，23、横向传动电机，24、横向传动机构，25、第一传动轴，26、第二传动轴；
34.3、图像采集装置，31、相机，32、相机补光装置，33、图像采集装置底座；
35.4、桥梁栏杆。
具体实施方式
36.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
37.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
38.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
39.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
40.如图1至图5所示，本实施例第一方面提供了一种铁路桥梁表面裂纹自动检测机器人，包括控制装置、图像采集装置3、图像后处理系统、驱动图像采集装置纵横移动的驱动装置2以及带动驱动装置翻转至桥梁下侧且将其与桥梁栏杆挂接固定的悬挂装置1；所述图像后处理系统与图像采集装置电连接而构成执行装置，图像后处理系统包括能够运行所开发软件的硬件设备。还包括供电装置，供电装置包括移动电源，供电装置分别与控制装置、悬挂装置、驱动装置和执行装置连接，具体地，供电装置与控制装置连接；供电装置与悬挂装置中的电机连接；供电装置与驱动装置中的电机连接；供电装置与执行装置中的相机和相机补光装置连接。
41.所述控制装置分别图像采集装置、驱动装置和悬挂装置电连接；具体地，控制装置包括悬挂装置控制单元、驱动装置控制单元和图像采集装置控制单元；所述悬挂装置控制单元和驱动装置控制单元具有编程能力。悬挂装置控制单元与悬挂装置中的上、下端电机连接；驱动装置控制单元与驱动装置中的电机连接；图像采集装置控制器与执行装置中的相机连接，控制相机拍摄频率，所述控制装置放置在铁路桥梁两端安全区域。
42.所述悬挂装置包括分布在两侧的悬挂组件，所述悬挂组件包括固定杆11、机械臂16和驱动装置支撑杆113，所述机械臂的顶部与固定杆连接，底部通过机械臂转动关节111与驱动装置支撑杆转动铰接；两根机械臂的顶部之间横跨转动装配有通过上端电机13驱动转动的上端驱动轴14，所述上端转动轴的两端均安装有滑轮15，所述滑轮上缠绕有驱动绳索17，所述机械臂上设置有绳索限位槽18，所述驱动绳索的自由端与对应侧的驱动装置支撑杆连接；两侧的机械臂转动关节之间横跨连接有通过下端电机19驱动转动的下端驱动轴110。实施时，通过上端电机牵引机械臂转动，结合下端电机带动驱动装置支撑杆相对机械臂转动关节转动，即可实现驱动装置支撑杆的展开或收拢。
43.所述驱动装置包括设置在两侧的纵向传动机构22以及横跨连接在纵向传动机构执行端的横向传动机构24，所述纵向传动机构和横向传动机构分别通过纵向传动电机21和横向传动电机23驱动。两侧的纵向传动机构的两端分别横跨连接有第一传动轴25和第二传动轴26。
44.所述图像采集装置3包括安装在横向传动机构执行端的图像采集装置底座33以及安装在图像采集装置底座上的相机31和相机补光装置32。
45.所述驱动装置支撑杆上设置有绳索固定装置112，所述驱动绳索的自由端与绳索固定装置连接。所述绳索固定装置包括与驱动装置支撑杆固定连接的固定轴1123、与固定轴转动套接的转动环1122以及设置在固定轴外侧端的限位板1121，所述驱动绳索的自由端与转动环连接。
46.在上述实施例中，所述悬挂装置1的折叠和展开是通过控制上端电机13和下端电机19共同实现的；上端电机13通过控制滑轮15牵引和释放驱动绳索17控制机械臂16转动，通过绳索固定装置112中的转动环1122保证驱动绳索17控制机械臂16任意角度的转动；下端电机19通过控制机械臂转动关节111控制驱动装置支撑杆113任意角度的转动；
47.请参照图5，本技术实施例所提供的悬挂装置1展开过程，在悬挂装置1展开过程中上端电机13和下端电机19需要协同完成整个过程，具体的，从
①
至
②
主要通过上端电机13控制滑轮15释放驱动绳索17实现，从
②
至
③
主要通过下端电机控制机械臂转动关节111实现，从
③
至
④
主要通过上端电机13控制滑轮15牵引驱动绳索17实现；在悬挂装置1折叠路径与悬挂装置1展开路径相反，在悬挂装置1折叠过程中上端电机13和下端电机19需要协同完成整个过程，具体的，从
④
至
③
主要通过上端电机13控制滑轮15释放驱动绳索17实现，从
③
至
②
主要通过下端电机控制机械臂转动关节111实现，从
②
至
①
主要通过上端电机13控制滑轮15牵引驱动绳索17实现。
48.在上述实施例中，图像采集装置3的移动通过驱动装置2实现，具体的，纵向传动电机21控制纵向传动机构22驱动图像采集装置3沿桥梁长度方向移动，横向传动电机23控制横向传动机构24驱动图像采集装置3沿垂直于桥梁长度方向移动，通过上述两个方向的移动，采集装置可以实现桥梁底面的扫描拍摄。
49.本实施例第二方面提供了一种采用上述机器人进行铁路桥梁表面裂纹自动检测的方法，包括如下步骤：
50.s1：通过悬挂装置将驱动装置和图像采集装置展开至铁路桥梁下侧，并使悬挂装置与桥梁栏杆挂接固定；
51.s2：启动驱动装置和图像采集装置，通过驱动装置带动图像采集装置纵横移动，自动化完成铁路桥梁底面裂纹的扫描拍摄；
52.s3：启动图像后处理系统，基于图像拼接算法合成铁路桥梁底面全景图，基于深度学习算法识别全景图裂纹，基于裂纹自动量化算法量化桥梁底面裂纹；
53.s4：输出铁路桥梁底面裂纹全景图，输出铁路桥梁底面裂纹宽度分布、长度分布、角度分布和面积分布，完成一次铁路桥梁裂纹检测。
54.本技术实施例中通过控制装置智能控制悬挂装置、驱动装置和执行装置，完成自动化、高效率和高精度铁路桥梁底面详细裂纹的检测，以实现服役铁路桥梁安全和损伤程度的精确评估。
55.在第一方面的一种可能的实施方式中，所述驱动装置中的纵向传动机构和横向传动机构可以是二自由度或三自由度的，三自由度可实现相机与桥梁底面距离的改变。
56.在第一方面的一种可能的实施方式中，所述悬挂装置中的固定杆需要与桥梁栏杆4连接，连接可以是沿固定杆长度方向绑扎若干根塑料扎带，短时内可使得固定杆与桥梁栏杆形成一个整体，结束后可用剪刀快速剪断，也可以是其他可快速安装、拆卸的固定装置。
57.在第一方面的一种可能的实施方式中，所述控制装置还包括无线信号拓展组件，所述无线信号拓展组件与所述控制器连接，用于对控制器的无线信号功能拓展。
58.所述悬挂装置充分利用铁路桥梁两侧护栏实现了检测机器人与桥梁无损锚固。
59.所述检测机器人在采集完所在区域图片后如需转移至其他区域，只需将固定杆上的扎带剪断，将检测机器人以栏杆为轨道快速移动至指定区域，并用扎带固定，不需要对悬
挂装置折叠。
60.所述固定杆通过滑动套筒12与单自由度并联机械臂连接，检测前，滑动套筒可根据栏杆高度以及桥梁尺寸滑动，使得单个检测机器人适用于更多的桥梁。
61.所述单自由度并联机械臂，通过两个单自由度机械臂上、下端驱动轴并联，通过驱动轴连接使得两个单自由度机械臂转动同步，所述并联机械臂相比于单个机械臂极大的增大了侧向刚度，提高了检测过程中抗风稳定性。
62.所述驱动装置中的二自由度传动机构保证了相机能够在与桥梁底面平行的平面内自由移动，避免了对高自由度机械臂的需求，降低了检测机器人的控制难度。
63.所述驱动装置中的二自由度传动机构可以保持相机与桥梁底面近距离平行移动，近距离使得采集的图片有足够多的像素点，保证了微裂纹的识别和裂纹的精确量化，与桥梁底面保持平行则不需要额外传感器或校准对象，并且避免了缩放参数和纠正倾斜变形等耗时的后处理过程。
64.所述控制装置为可编程的控制装置，与悬挂装置连接的悬挂装置控制单元，通过提前编程悬挂装置中单自由度并联机械臂转动速度和角度，可自动化完成悬挂装置的展开和折叠；与驱动装置连接的驱动装置控制单元，通过提前编程图像采集装置移动速度和路径，完成图像的自动化采集。由于机械臂是单自由度恒速转动，相机是单一路径恒速移动，所述检测机器人运行程序是易提前编程的，保证了检测机器人的自动化检测。
65.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。