CN114324153A - 基于机器压觉的结构物表面裂缝检测装置和检测识别方法 - Google Patents
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Abstract
发明公开了一种基于机器压觉的结构物表面裂缝检测装置，包括机器人本体，所述机器人本体包括推进部分以及裂缝检测部分，所述推进部分用于驱动机器人本体移动，所述裂缝检测部分用于检测待测结构物表面的裂缝，所述裂缝检测部分为履带式柔性检测装置，所述履带式柔性检测装置包括可行走的履带以及呈矩阵形式布置在履带表面的若干柔性薄膜压力传感器；该基于机器压觉的结构物表面裂缝检测装置通过履带式柔性检测装置进行连续性的面检测，可以精准的获得待测结构物表面的裂缝信息。
Description
技术领域
本发明涉及结构物表面缺陷检测装置和方法，特别涉及一种基于机器压觉的结构物表面裂缝检测装置和检测识别方法，属于检测技术领域。
背景技术
由于工作环境的特殊性，对水下结构物表面裂缝的检测工作与陆上作业相比，具有诸多特有的问题和困难。水下能见度，水压，水温等因素都会给检测工作带来一定的影响。同时由于与水的相互作用，水下结构物表面裂缝的发展速度，恶化速度更快，对建筑物整体安全状况的影响程度更为巨大。如果未能及时被发现和处理，就有可能导致大坝，桥梁等在国民经济中发挥重要作用的建筑物整体结构发生重大事故。对国民经济和人民的生命健康和财产安全造成巨大的影响。
目前，自动化设备和智能化设备飞速发展，被广泛应用于各项生产活动中，与传统产业深度融合。水下机器人由于对水下环境的适应性高，机动性强，而被广泛应用于诸如水下勘察，探测，搜救等工作中。搭载裂缝检测装置的水下机器人，能代替人潜到水下对水下结构物进行裂缝的检测。目前应用最多的裂缝检测技术是机器视觉，例如公告号为CN107576665A的中国发明专利。光源和能见度对机器视觉的检测效果具有关键性的影响。虽然，针对水下能见度低的问题，已有一些解决方案，例如公告号为CN105954292A的中国发明专利，公开了一种复眼仿生视觉的水下结构物表面雷锋检测装置及方法。但机器人作业时对周围环境产生的扰动等因素，使得能见度低仍然是限制机器视觉这种检测方法发展的关键制约。
针对能见度低或者无法直接观察检测环境的地方，如何能精准的检测结构物表面裂缝情况是本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于机器压觉的结构物表面裂缝检测装置，该基于机器压觉的结构物表面裂缝检测装置通过履带式柔性检测装置进行连续性的面检测，可以精准的获得待测结构物表面的裂缝信息。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于机器压觉的结构物表面裂缝检测装置，包括机器人本体，所述机器人本体包括推进部分以及裂缝检测部分，所述推进部分用于驱动机器人本体移动，所述裂缝检测部分用于检测待测结构物表面的裂缝，所述裂缝检测部分为履带式柔性检测装置，所述履带式柔性检测装置包括可行走的履带以及呈矩阵形式布置在履带表面的若干柔性薄膜压力传感器。
作为本发明的进一步的优选方案，所述每个柔性薄膜压力传感器上设有若干个以矩阵形式布置的触头。
作为本发明的进一步的优选方案，所述柔性薄膜压力传感器与触头之间布设有压敏垫座。
作为本发明的进一步的优选方案，所述每个触头包括若干个微针。
作为本发明的进一步的优选方案，所述柔性薄膜压力传感器与履带之间设有垫座。
作为本发明的进一步的优选方案，所述推进部分包括用于驱动机器人本体移动的第一推进器、用于履带式柔性检测装置附着在待测结构物表面的第二推进器。
基于机器压觉的结构物表面裂缝检测装置，提出一种结构物表面裂缝的检测识别方法，具体包括以下步骤：
步骤A、建立待测结构物的空间坐标系、设置待测结构物的初始检测位置、检测路径；
步骤B、将机器人本体放在初始检测位置附近，机器人本体中的履带式柔性检测装置首先进入待测结构物的初始检测位置；
步骤C、机器人本体中的推进部分沿预设的检测路径推动机器人本体移动，在机器人本体移动的过程中，履带式柔性检测装置同步开始待测结构物的表面裂缝检测工作；
步骤D、在履带式柔性检测装置进行待测结构物的表面裂缝检测工作过程中，履带沿着预设的检测路径上连续行走，而在履带上的触头和矩阵式的柔性薄膜压力传感器的协同作用下，获得压力矩阵数据，所述压力矩阵数据包括待测结构物表面的正常位置的压力值、待测结构物表面的裂缝位置的压力值；按照各压力敏感点在柔性薄膜压力传感器矩阵中的位置，生成待测结构物表面检测装置覆盖的局部区域的模拟电压值的矩阵压力矩阵数据，并进行储存；步骤E、对压力矩阵数据处理：从储存模块中获得压力矩阵数据，通过机器人本体内的主控芯片对压力阵列数据进行二值化处理，输出得到二值图像；
步骤F、识别获得待测结构物的裂缝：按照预设的检测路径，依次对检测对象进行覆盖，并将二值图像按照其在检测对象整体中的位置依次拼接，得到待测结构物表面的裂缝位置和形状。本发明具有如下有益效果：
1、本发明提出的一种结构物表面裂缝的检测识别方法，在检测时，利用履带式柔性检测装置，随着时间的变化，获得连续时间的检测到的待测结构物表面的压力值信息，其中压力值信息包括正常表面压力值和裂缝处压力值，由于正常表面压力值为固定值，而裂缝处压力值为异常值，故通过识别连续时间内的压力异常变化，就可以获得待测结构物表面的裂缝位置和裂缝形状；由此可知，本发明所述的检测装置，可以获得检测时间内的连续性的待测结构物表面的压力信息，精准的识别出待测结构物表面的裂缝位置和形状。
2、本发明公开的一种基于机器压觉的结构物表面裂缝检测装置，通过单个触头获得点状的待测结构物表面压力值信息，通过单个柔性薄膜压力传感器获得块状的待测结构物表面压力值信息，通过矩阵排列的柔性薄膜压力传感器获得多个块状的待测结构物表面压力值信息，通过履带式柔性检测装置就可以获得检测时间内的连续的待测结构物表面压力值。
3、本装置利用压敏垫座，防止刚性的微针在受压过程中损害柔性薄膜压力传感器。
附图说明
图1是本发明的基于机器压觉的结构物表面裂缝检测装置示意图；
图2是本发明的履带构造示意图；
图3是本发明的检测单元构造示意图；
图4是本发明的嵌入式处理机的系统框图；
图5是本发明的基于机器压觉的结构物表面裂缝检测方法的工作流程图；
图6是本发明的基于机器压觉的结构物表面裂缝检测方法的工作示意图；
图1中：101、第一推进器，102、机器人本体，103、第二推进器，104、结构物表面裂缝装置，105、检测单元，106、驱动轮；
图2中：201、履带链，202、柔性薄膜压力传感器，203、触头；
图3中：301、微针，302、压敏垫座，303、垫层，304、导电金属，305、上极板，306、压阻效应材料，307、下极板，308、输出电路，309、柔性硅片，d、微针外径；
图6中：601、待测结构物表面（白色区域为裂缝），602、检测装置覆盖的局部区域，603、压力矩阵数据，604、二值化处理后的数据矩阵，605、二值图像，a、正常表面处反馈的压力值，b、裂缝处反馈的压力值。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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发明和简化描述，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，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1和图2所示，一种基于机器压觉的结构物表面裂缝检测装置，包括机器人本体102，机器人本体102包括推进部分以及裂缝检测部分，在本装置中，裂缝检测部分为履带式柔性检测装置。
所述推进部分包括用于驱动机器人本体102移动的第一推进器101、用于履带式柔性检测装置附着在待测结构物表面的第二推进器103。在本实施例中，第一推进器101布设在机器人本体102的背面，向与结构物表面垂直相反的方向推进，用于裂缝检测部分在结构物表面的附着；第二推进器103布设在机器人本体102的尾部，向与结构物表面平行的方向推进，用于裂缝检测部分在结构物表面上的移动。
如图2和图3所示，所述履带式柔性检测装置包括柔性薄膜压力传感器202、触头203、履带；所述触头203以矩阵排列排列形式布设在每个柔性薄膜压力传感器202的顶部，所述触头203阵列，用于对结构物表面状况的直接感知，其中，每个独立的触头203，其顶部设有若干个微针301；所述柔性薄膜压力传感器202以矩阵排列形式固定安装在履带的表面，所述柔性薄膜压力传感器202用于对触头203所传递的压力进行感知，由于触头203顶部的微针301为刚性的，且为保证裂缝的准确识别，其外径尺寸d控制在微米级，为了保护柔性薄膜压力传感器202，故在柔性薄膜压力传感器202与触头203之间设置压敏垫座302，所述压敏垫座302用于保护柔性薄膜压力传感器202，且压敏垫座302与柔性薄膜压力传感器202上的压力敏感点一一对应布设；所述履带作为本装置在机器人本体102上的搭载，并带动本装置中其他部件在结构物表面的附着和运动，所述履带包括履带链201和用于驱动履带链201运动的驱动轮106，所述驱动轮106在结构物表面行走，带动履带链201运动。附着有触头203阵列的阵列式柔性薄膜压力传感器202附着在由履带链201上，并随之运动，为了保护柔性薄膜压力传感器202，故在履带和柔性薄膜压力传感器202之间设置垫座。当遇到结构物的表面时，在机器人本体102背面的第一推进器101的作用下，微针301位于机器人本体102与结构物之间，微针301受到压力后，传递给压敏垫座302的压力值较大，当遇到结构物表面的裂缝时，触头203顶部的部分或全部的微针301所承受的压力减小或者不承受压力，此时传递给压敏垫座302的压力值较小，柔性薄膜压力传感器202所感应到的压力值发生变化，根据柔性薄膜压力传感器202矩阵的相对压力差值及压力分布，可以直接判断结构物表面是否存在裂缝。
如图3所示，所述压力敏感点为分层结构，包括垫层303，导电金属304层，上极板305，压阻效应材料306层，上极板305，输出电路308层和柔性硅片309层。各垫层303用于对各种元器件的封装保护及在其他部件上的附着。导电金属304用于上，下极板307与传输电路层的连接。压阻效应材料306层通过有压力变换引起的电阻变化，用于对触头203传输的压力进行感知。柔性硅片309用于输出电路308层的附着。
所述机器人本体102的内部设有嵌入式处理机，如图2，图4所示，所述嵌入式处理机，用于对阵列式柔性薄膜压力传感器202所感知的压力数据进行处理、储存和传输。嵌入式处理机包括主控芯片、分压电路、信号调理模块、调试接口模块、DDR储存模块、Flash储存模块、数据输出模块、电源模块。其中，分压电路用于电路分压，避免阵列式柔性薄膜压力传感器202被破坏。信号调理模块用于信号的放大和滤波。DDR储存模块用于压力阵列数据的储存，Flash储存模块用于系统程序代码的储存，调试接口模块用于程序代码的调试。主控芯片用于压力阵列数据的后处理，包括数据可视化、图形识别与计算、推进器的控制等。电源模块为整个系统进行供电。
如图2，所述阵列式柔性薄膜压力传感器202的有效检测区域和压力敏感点分布密度都可根据实际情况进行定制。各检测单元105的间距的设定，兼顾检测工作需要和触头203压敏垫座302的尺寸，使得在各触头203独立工作、相互之间不受影响的前提条件下，提高检测效率。各检测单元105的垫层303是具有一定柔性、硬度和耐磨性的绝缘材料，保证对柔性薄膜压力传感器202内部器件的封装固定和保护。压阻效应材料306，对压力变化敏感，可根据压力值的不同输出不同阻值。导电金属304具有良好稳定的导电性。柔性硅片309具有一定的柔性，适应履带链201的形状变化。
如图1，图2所示，所述履带链201的各项尺寸由机器人本体102的尺寸、工程特性、工作环境需要等因素综合选定。驱动轮106与履带链201之间有足够的啮合度，防止履带链201脱滑。与传统履带不同的是，与驱动轮106啮合的履带链201的另一面附着垫座，垫座表面平整，且有一定的硬度和柔性，其与阵列式柔性薄膜压力传感器202之间的黏结应有足够的保障。
本发明所公开的履带式柔性检测装置，是适用于机器人本体102在能见度较低、不能直接的观察结构物表面的裂缝，使用环境包括水下环境、高耸建筑物、高架桥等环境，特别注意的是，当使用环境为水下时，履带式柔性检测装置的各个组件需要经过水密处理。
基于上述的基于机器压觉的结构物表面裂缝检测装置，提出一种结构物表面裂缝的检测识别方法，其具体步骤如下：
步骤A、建立待测结构物的空间坐标系、设置待测结构物的初始检测位置、检测路径。
步骤B、将机器人本体102放在初始检测位置附近，机器人本体102中的履带式柔性检测装置首先进入待测结构物的初始检测位置。
步骤C、机器人本体102中的推进部分沿预设的检测路径推动机器人本体102移动，在机器人本体102移动的过程中，履带式柔性检测装置同步开始待测结构物的表面裂缝检测工作。
步骤D、在履带式柔性检测装置进行待测结构物表面601的裂缝检测工作过程中，履带沿着预设的检测路径上连续行走，而在履带上的触头203和矩阵式的柔性薄膜压力传感器202的协同作用下，获得压力矩阵数据603，所述压力矩阵数据包括待测结构物表面的正常位置的压力值a、待测结构物表面的裂缝位置的压力值b；按照各压力敏感点在柔性薄膜压力传感器202矩阵中的位置，生成检测装置覆盖的局部区域的压力矩阵数据，并进行储存。
步骤E、对压力矩阵数据处理：从储存模块中获得压力矩阵数据，通过机器人本体102内的主控芯片对压力矩阵数据进行二值化处理，得到二值矩阵604，输出得到二值图像605，其中，在二值图像中，对由于信号噪声或不平整表面引起的长度过短或不连续的形状进行排除。
步骤F、识别获得待测结构物的裂缝：按照预设的检测路径，依次对检测对象进行覆盖，并将二值图像按照其在整体中的位置依次拼接，得到并输出待测结构物表面的裂缝形状和位置。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于机器压觉的结构物表面裂缝检测装置，包括机器人本体，所述机器人本体包括推进部分以及裂缝检测部分，所述推进部分用于驱动机器人本体移动，所述裂缝检测部分用于检测待测结构物表面的裂缝，其特征在于：所述裂缝检测部分为履带式柔性检测装置，所述履带式柔性检测装置包括可行走的履带以及呈矩阵形式布置在履带表面的若干柔性薄膜压力传感器。
2.根据权利要求1所述的基于机器压觉的结构物表面裂缝检测装置，其特征在于：所述每个柔性薄膜压力传感器上设有若干个以矩阵形式布置的触头。
3.根据权利要求2所述的基于机器压觉的结构物表面裂缝检测装置，其特征在于：所述柔性薄膜压力传感器与触头之间布设有压敏垫座。
4.根据权利要求2所述的基于机器压觉的结构物表面裂缝检测装置，其特征在于：所述每个触头包括若干个微针。
5.根据权利要求1所述的基于机器压觉的结构物表面裂缝检测装置，其特征在于：所述柔性薄膜压力传感器与履带之间设有垫座。
6.根据权利要求1所述的基于机器压觉的结构物表面裂缝检测装置，其特征在于：所述推进部分包括用于驱动机器人本体移动的第一推进器、用于履带式柔性检测装置附着在待测结构物表面的第二推进器。
7.基于权利要求1至6所述的基于机器压觉的结构物表面裂缝检测装置，提出一种结构物表面裂缝的检测识别方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤A、建立待测结构物的空间坐标系、设置待测结构物的初始检测位置、检测路径；
步骤B、将机器人本体放在初始检测位置附近，机器人本体中的履带式柔性检测装置首先进入待测结构物的初始检测位置；
步骤C、机器人本体中的推进部分沿预设的检测路径推动机器人本体移动，在机器人本体移动的过程中，履带式柔性检测装置同步开始待测结构物的表面裂缝检测工作；
步骤D、在履带式柔性检测装置进行待测结构物的表面裂缝检测工作过程中，履带沿着预设的检测路径上连续行走，而在履带上的触头和矩阵式的柔性薄膜压力传感器的协同作用下，获得压力矩阵数据，所述压力矩阵数据包括待测结构物表面的正常位置的压力值、待测结构物表面的裂缝位置的压力值；按照各压力敏感点在柔性薄膜压力传感器矩阵中的位置，生成待测结构物表面检测装置覆盖的局部区域的模拟电压值的矩阵压力矩阵数据，并进行储存；
步骤E、对压力矩阵数据处理：从储存模块中获得压力矩阵数据，通过机器人本体内的主控芯片对压力阵列数据进行二值化处理，输出得到二值图像；
步骤F、识别获得待测结构物的裂缝：按照预设的检测路径，依次对检测对象进行覆盖，并将二值图像按照其在检测对象整体中的位置依次拼接，得到待测结构物表面的裂缝位置和形状。
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