面向结构健康监测的智能机器人系统的应用与发展趋势

桥梁为交通基础设施的关键节点和枢纽，过去几十年，中国乃至世界各地建造了一大批跨越江河湖海、深山峡谷的大型桥梁，有力改善了人民出行条件，并有效带动了沿线经济发展。但是，近年来桥梁安全问题频发，如美国明尼苏达州I-35W大桥垮塌、韩国Yi Sun-Shin悬索桥涡激振动等。因此，利用智能机器人技术和先进传感技术进行结构健康监测可以有效确保桥梁安全并降低维护和修复成本。

智能机器人可用于结构缺陷检测任务（如裂缝、腐蚀、混凝土剥落），先进传感技术可用于实时监测结构响应（如加速度、位移、应变）。在获得结构状况数据后，可对桥梁的性能状态进行评估，并制定维护或修复方案，以确保桥梁的安全运行。

西南交通大学、东南大学联合澳大利亚莫纳什（Monash）大学的科研人员回顾了用于桥梁健康监测的机器人技术研究进展，并展望了未来的发展趋势，以期为桥梁状况评估和安全评价提供新的思路和途径。相关研究成果发表在Automation in Construction上。

随着机器人技术和人工智能的快速发展，各种用于桥梁缺陷检测的移动机器人平台应运而生。桥面裂缝/缺陷检测是一项重要的检测任务，然而，传统方法具有一定的主观性、检测过程费时费力。为此，国内外学者开发了多种集成于移动车辆平台上的缺陷检测系统，如美国RABIT新型机器人系统，该系统集成了多种无损检测工具，如冲击回波（IE）、电阻率（ER）、探地雷达（GPR）和超声波表面波检测，能够对桥面板的各种缺陷进行检测，但该系统无法直接用于桥梁底部缺陷的检测。

为了提升移动机器人的功能，有学者开发了一种由移动车平台和机械臂组成的半自主移动机器人系统，如图2(a)所示，可用于桥梁底部和侧面缺陷检测。

为了实现桥梁高墩、高塔等部位缺陷的自动化检测，国内外学者开发了各类型爬壁机器人，如图2(b)所示。根据爬壁机构，现有爬壁机器人可分为气动爬壁机器人和磁吸附爬壁机器人。

气动爬壁机器人利用吸盘或负压机构攀爬玻璃、混凝土和木质材料等非铁磁性表面，广泛应用于混凝土结构的缺陷检测任务。

磁吸附机器人利用磁场产生的作用力吸附在结构表面，适合在导磁材料表面使用，广泛应用于钢桥缺陷的自动化检测。根据附着机制划分，磁吸附机器人可分为永磁式爬壁机器人和电磁式爬壁机器人；根据攀爬面的不同，磁吸附爬壁机器人可分为腿式机器人、轮式机器人和履带式机器人。

斜拉索/吊杆的运行状况对大跨度斜拉桥的安全至关重要，为实现缆索结构缺陷检测的自动化，学者开发了各种缆索攀爬机器人，如图2(c)和(d)所示。根据爬升机构划分，缆索检测机器人主要有磁力、气动和电动三类。

电动方式具有易于控制、爬行力恒定等优点，广泛用于桥梁工程的缆索缺陷检测，但由于爬索机器人的运动能力有限，其应用范围受到一定限制。

目前的爬索机器人每次只能检测一根缆索，并且需要操作人员将机器人从一根缆索安装到另一根缆索，限制了检测效率。为此，采用先进的蜂群机器人技术可以解决多根缆索缺陷同时检测的问题。

近年来，无人机平台因其非接触测量、机动性强以及能够捕捉桥墩和塔等难以接近部位的图像等优点，广泛用于桥梁缺陷检测。目前，无人机技术已用于桥梁桥面、桥底、桥塔、桥墩等部位的表面缺陷检测，如图2(e)所示。

动力特性对于检查桥梁的动态性能非常重要，也可用于校准桥梁有限元模型并评估桥梁损伤及承载能力。然而，由于可用传感器数量有限，传统方法只能识别空间分辨率较低的模态振型。