一种基于联动夹持机构的桥梁桩基水下检测装置及方法

技术领域

本发明涉及桥梁桩基检测技术领域，具体为一种基于联动夹持机构的桥梁桩基水下检测装置及方法。

背景技术

涉水桥梁的基础是其主要承重构件，现阶段桥梁基础又以各类型制的桩基居多。目前桥梁水下基础检测的主流方法为依靠潜水员携带水下电视等装备进行人工检测。人工检测具备耗时长、风险大、主观性强等缺点，潜水人员也不一定具备判断基础性能的能力，无法做到系统性的检测。在现有技术中，水下缆控机器人(ROV)等水下移动式载体在桥梁基础检测方面已经有了初步的应用，移动式载体搭载了双目相机、水下雷达、声纳等传感器对海上风电桩基、大坝坝体、桥梁基础等水下结构物进行观测。但应用实践表明，要想获得较好的量化检测效果，传感器进入作业状态时移动式载体就必须保证一个稳定的姿态，部分传感器为保证量化检测精度甚至提出了摆动角度小于0.1°，摆动速度优于0.15°/25ms的要求。在流速较缓、流向稳定的内河、湖泊中可以只凭移动式载体的姿态控制系统来保持相对稳定，但一旦场景切换至流速较快，流向紊乱的海洋、大江大河等进行跨海、跨江大桥的检测时，移动式载体在姿态控制上将陷入无底洞的投入陷阱，且因水流方向随机多变的特点，应用效果也不一定能够满足要求。

中国发明专利202211000642.2、202111037082等均依靠单一的水下揽控机器人进行桩基检测，无法适应上文所述的海洋、大江大河等场景；中国实用新型专利202221516982.6提出了卡扣在桩基外部的升降式检测装备，但其还需要人为潜水安装，只适用于近距拍摄，检测速度慢，也无法适应冲刷等全局性指标的检测作业需要。目前还缺少一种能够适应复杂水域的桩基检测方法，在能够快速部署，全局检测的同时还能保障精细化检测所需稳定性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种适应性强、成本相对较低的检测装置及相应的检测方法，以适应江河湖海等不同场景的涉水桥梁桩基水下自动化检测的稳定性需求。为达到上述目的，本发明提出了一种基于联动夹持机构的桥梁桩基水下检测装置及方法，采用以下技术方案予以实现：

第一方面，本发明提供了一种基于联动夹持机构的桥梁桩基水下检测装置，包括水下机器人、传感模块和联动夹持机构，传感模块和联动夹持机构均与水下机器人相连，联动夹持机构用于夹持检测目标，传感模块用于检视检测目标；

所述联动夹持机构包括位于水下机器人机体框架前侧的压杆和折叠式夹臂以及安装于水下机器人机体框架内部的定位控制平台；压杆和折叠式夹臂均通过定位控制平台与水下机器人相连，压杆和折叠式夹臂共同构成能夹持抱合检测目标的联动机构。

作为优选，所述水下机器人为框架式缆控机器人。

作为优选，所述水下机器人内部集成有控制电路，控制电路通过控制线缆与地面控制站相连；水下机器人机体框架上安装有推进器、浮力块和吊环；吊环用于水下机器人的吊装作业，通过工业手柄能控制推进器带动水下机器人的水下运动，通过地面控制站能实时观测传感模块的实时检测结果。

作为优选，所述传感模块包括能在水下进行传感检视工作的声呐和/或摄像头。

作为优选，所述压杆包括柔性撞角、弹簧伸缩杆、主杆和弹性限位块；所述柔性撞角在初始状态下位于装置的最前端，柔性撞角与弹簧伸缩杆的一端固定连接，弹簧伸缩杆的另一端与主杆前端固定连接，主杆杆体上设有弹性限位块；所述定位控制平台包括连接座和套筒，套筒内部设有能沿轴向伸缩的主复位弹簧；主复位弹簧的一端固定于套筒内底部，另一端与主杆后端连接，主杆能在套筒内轴向移动；套筒上开设有限位孔槽，当主杆沿套筒向后方移动至弹性限位块与限位孔槽重合时，弹性限位块能在弹力作用下从限位孔槽中伸出以实现主杆的轴向限位；位于限位孔槽外侧的连接座上设有复位杆；复位杆通过连接座内部设置的推拉式电磁铁进行控制，用于挤压弹性限位块回缩至限位孔槽内，以解除主杆轴向的限位作用。

进一步的，所述弹簧伸缩杆内设置有用于实现杆件伸缩和复位的压缩式弹簧，且该压缩式弹簧的刚度小于主复位弹簧的刚度。

进一步的，所述折叠式夹臂包括结构相同的两组，两组中心对称且分别位于压杆两侧，每组折叠式夹臂均包括位于内侧的第一工作臂、第二工作臂和第三工作臂以及位于外侧的第一导向臂、第二导向臂和第三导向臂；每个导向臂内侧均沿长度方向开设有导向槽，导向槽内滑动安装有滑块，滑块上设有用于复位的伸缩弹簧；

所述第一工作臂由第一支撑臂和第二支撑臂组成，第一支撑臂和第二支撑臂的连接处与定位控制平台销轴连接；所述第一支撑臂为伸缩臂，外端部与主杆销轴连接，第二支撑臂的外端部与第二导向臂的一端销轴连接，第二导向臂的另一端与第三导向臂的一端销轴连接；

所述弹簧伸缩杆上套设固定有连接套管；第一工作臂的一端与连接套管销轴连接，另一端与位于第一导向臂内的滑块销轴连接；第二工作臂的一端与位于第一导向臂内的滑块销轴连接，另一端与位于第二导向臂内的滑块销轴连接；第三工作臂的一端与位于第二导向臂内的滑块销轴连接，另一端与位于第三导向臂内的滑块销轴连接。

更进一步的，所述第一工作臂、第二工作臂和第三工作臂内侧还设有若干能沿检测目标表面滚动的导向轮。

更进一步的，所述连接座两侧还延伸设有用于与第一支撑臂和第二支撑臂连接处铰接的主支撑臂。

第二方面，本发明提供了一种利用第一方面任一所述基于联动夹持机构的桥梁桩基水下检测装置的检测方法，具体如下：

S1、对水下机器人和传感模块进行自检，联动夹持机构复位至初始状态；

S2、通过吊环吊装水下机器人至工作水域，在检测目标附近投放水下机器人；

S3、水下机器人通过推进器靠近检测目标，柔性撞角外侧面首先接触到检测目标；

S4、水下机器人通过推进器进一步向前推进，使柔性撞角抵在检测目标表面，使弹簧伸缩杆进行收缩，并带动连接套管位移，进而通过各工作臂带动各滑块在相应导向槽中的滑动，使各导向臂从初始的折叠状态逐渐展开，直至弹簧伸缩杆被推至压缩行程；

S5、水下机器人通过推进器继续向前推进，挤压主杆向套筒内位移，与主杆相连的第一支撑臂随之改变伸缩状态，同时带动折叠式夹臂逐步向前抱拢，直至弹性限位块与限位孔槽重合并从中伸出以对主杆实现轴向限位，此时主杆到达最终行程；接着通过传感模块按照检测计划进行工作，通过在各工作臂内侧安装的导向轮沿检测目标外部移动以实现大范围检测；

S6、传感模块检测完毕后，通过对推拉式电磁铁通电使复位杆弹出以向内挤压弹性限位块，解除主杆的轴向限位；水下机器人通过推进器向远离检测目标的方向移动，主复位弹簧利用自身弹性势能推动主杆从套筒内脱出，与滑块相连的各伸缩弹簧逐渐复位，折叠式夹臂从抱合状态移动至展开状态；

S7、弹簧伸缩杆内的压缩式弹簧利用自身弹性势能复位，带动连接套管复位，与滑块相连的各伸缩弹簧完全复位，折叠式夹臂恢复至初始折叠状态，完成对检测目标的检测工作。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

本发明设计了一种结构简单、电子化控制单元少、功能多样的机械式联动夹持机构安装于ROV等运动载体上，创新性地提出了一种移动式载体(缆控ROV)和半约束固定装置相结合的水下桩基通用检测装置，并设计了相应的检测方法与流程，为各类水下传感器提供更平稳、耐用的水下工作性能。本发明首先起到的作用是夹持桩基，形成了一种全新的“探针式触发，抱柱式固定”的联动半固定约束模式，能够维持水下机器人稳定，供传感模块进行平稳拍摄、清晰成像的作用，特别适用于流速湍急，流速较乱水域内进行检测工作。这种半固定约束模式，只需要水下机器人单自由度的推进力，避免了水下机器人姿态控制上的无限制成本投入；联动夹持机构中，夹臂折叠的设计更有利于配平重心和运输部署，折叠与抱拢的行为主要依靠机械连杆机构，最大限度地减少了电子元器件的介入，降低了成本和水密要求，前方柔性撞角的设计还具备保护检测载体和水下桩基结构的能力，套筒起到导向和压簧护套的作用。

总体来说，本发明提出的水下桩基通用检测装置通过机械结构设计，能够采用低成本方案解决水下感知的稳定性控制难题，机械联动为主的设计也最大程度地提升了检测装置在水下环境的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1是本发明检测装置在联动夹持机构初始状态下的整体装配示意图；

图2是本发明中联动夹持机构的装配示意图；

图3是本发明检测装置在联动夹持机构抱合状态下的整体装配示意图；

图4是本发明联动夹持机构中压杆进入套筒后的限位方式示意图；

图5是本发明检测方法流程示意图；

图6是本发明检测装置在联动夹持机构初始状态时和检测对象的相对位置示意图；

图7是本发明检测装置在联动夹持机构抱合状态时和检测对象的相对位置示意图；

图8为本发明检测装置接触检测对象至进入工作状态后的二维拓扑结构变化示意图；

图中附图标记为：水下机器人1，传感模块2，联动夹持机构3，压杆4，折叠式夹臂5，定位控制平台6，柔性撞角7，弹簧伸缩杆8，主杆9，弹性限位块10，连接座11，推进器12，浮力块13，吊环14，第一工作臂15，第二工作臂16，第三工作臂17，第一导向臂18，第二导向臂19，第三导向臂20，导向槽21，滑块22，伸缩弹簧23，第一支撑臂24，第二支撑臂25，连接套管26，主复位弹簧27，套筒28，主支撑臂29，复位杆30，限位孔槽31，双目相机32，二维图像声呐33，桩基34，导向轮35。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，若无特殊解释，本发明中所述的“前侧”、“前端”、“前方”等表述所指代的方位均为邻近柔性撞角7所在方向，即如图1所示中的左侧；所述的“后端”、“后方”、“底部”等表述所指代的方位均为远离柔性撞角7所在方向，即如图1所示中的右侧。

如图1所示，本发明提供了一种基于联动夹持机构的桥梁桩基水下检测装置，该检测装置主要包括水下机器人1、传感模块2和联动夹持机构3，其中，传感模块2和联动夹持机构3均与水下机器人1相连，联动夹持机构3用于夹持检测目标，传感模块2用于检视检测目标。联动夹持机构3主要包括压杆4、折叠式夹臂5和定位控制平台6，压杆4和折叠式夹臂5位于水下机器人1机体框架前侧，定位控制平台6安装于水下机器人1机体框架内部。压杆4和折叠式夹臂5均通过定位控制平台6与水下机器人1相连，压杆4和折叠式夹臂5共同构成能夹持抱合检测目标的联动机构。

在本发明的一种优选实施例中，水下机器人1采用框架式缆控机器人，传感模块2和联动夹持机构3均安装于水下机器人1机体框架内部。传感模块2包括但不限于声呐、摄像头等能够在水下进行传感检视工作的元件。联动夹持机构的安装位置一般与水下机体重心位置平齐或在重心偏上位置，安装位置均要位于传感模块上方，以保证摄像机或声呐的传感视场不受遮挡。

下面将结合实施例，对各部件的结构和连接方式进行具体说明。

实施例

在本实施例中，水下机器人1除自身机体框架外，还包括控制线缆(图中未示出)、地面控制站(图中未示出)、工业手柄(图中未示出)等。如图1所示，机体框架内部集成有控制电路(图中未示出)、推进器12、浮力块13、吊环14等结构。机体框架上方安装有吊环14用于水下机器人的吊装作业，通过工业手柄控制水下机体内部安装的推进器12进行水下运动，并在地面控制站上实时观测传感模块2的实时检测结果。可以根据需要，在水下机器人内部加配重块和浮力块来保障设备在初始状态下的零浮力。

在本实施例中，如图2所示，压杆4主要包括柔性撞角7、弹簧伸缩杆8、主杆9和弹性限位块10，柔性撞角7、弹簧伸缩杆8和主杆9同轴布设。其中，柔性撞角7位于压杆4最前端，在初始状态下也位于整个装置的最前端。柔性撞角7的后侧面与弹簧伸缩杆8的一端固定连接，前侧面用于接触检测目标。弹簧伸缩杆8的另一端与主杆9的前端固定连接，主杆9的后方杆体上设有弹性限位块10。弹簧伸缩杆8内设置有压缩式弹簧(图中未示出)，用于实现杆件伸缩和复位，且该压缩式弹簧的刚度应当小于主复位弹簧27的刚度，以便于折叠式夹臂5实现两段式抱合或折叠。弹簧伸缩杆8外部设置有连接套管26，连接套管26两侧延伸有销孔，用于与折叠式夹臂5的第一工作臂15进行销轴连接；有主杆9上设置有圆形销孔，用于与折叠式夹臂5的第一导向臂18的第一支撑臂24进行销轴连接。

作为本实施例的一种优选方式，考虑到检测目标多为柱状桩基34，柔性撞角7可以采用向前凹的弧形结构，以更好的贴合桩基34外表面。柔性撞角的前侧面或者整体可采用聚氨酯垫块等刚度较小的超弹性材料，用以缓冲受力和贴合桩基。

在本实施例中，如图4所示，定位控制平台6包括连接座11和套筒28，套筒28内部设有能沿轴向伸缩的主复位弹簧27。主复位弹簧27的一端固定于套筒28内底部，另一端与主杆9后端连接，主杆9能在套筒28内轴向移动。套筒28上开设有限位孔槽31，且该限位孔槽31的方位和数量与弹性限位块10相对应。在实际使用时，当主杆9沿套筒28向后方移动至弹性限位块10与限位孔槽31重合时，弹性限位块10能在弹力作用下从限位孔槽31中伸出以实现主杆9的轴向限位。也就是说，在主杆9在沿套筒28移动的主要行程中，弹性限位块10均处于被套筒28内壁压缩的状态。位于限位孔槽31外侧的连接座11上设有复位杆30。复位杆30通过连接座11内部设置的推拉式电磁铁进行控制，用于挤压弹性限位块10回缩至限位孔槽31内，以解除主杆9轴向的限位作用。

作为本实施例的一种优选方式，弹性限位块10可以采用一个，也可以沿主杆9周向布设多个。相应的，若弹性限位块10采用多个，则限位孔槽31以及复位杆30的数量和位置也要与其相匹配，以实现对主杆9的限位和解除限位作用。

在本实施例中，如图2和3所示，折叠式夹臂5包括结构相同的两组子折叠式夹臂，两组子折叠式夹臂沿压杆4轴向中心对称且分别位于压杆4两侧，两组子折叠式夹臂能共同构成用于夹持抱合检测目标的联动机构。

在实际使用时，联动夹持机构的折叠式夹臂为可拆卸结构，折叠式夹臂的长度与桩基直径匹配，可面向1m、1.5m、1.8m等主流桩径的桩基提前预制并根据检测计划选用装配。

具体的，每组折叠式夹臂5均包括位于内侧的第一工作臂15、第二工作臂16和第三工作臂17以及位于外侧的第一导向臂18、第二导向臂19和第三导向臂20。第一导向臂18、第二导向臂19和第三导向臂20的内侧均沿长度方向开设有导向槽21，每个导向槽21内滑动安装有滑块22，滑块22上设有用于复位的伸缩弹簧23。例如，对于第三导向臂20而言，其上的滑块22后方设有伸缩弹簧23，该伸缩弹簧23的一端固定于滑块22上、另一端固定于导向槽21后侧端；在初始状态下，伸缩弹簧23没有弹力，该滑块22处于导向槽21最前端，在抱合过程中，滑块22逐渐向后方移动，进而压缩伸缩弹簧23；当检测完毕需要恢复时，滑块22又在伸缩弹簧23的弹力下向前方滑动，进而移动至初始位置，即导向槽21最前端。第一导向臂18和第二导向臂19内滑块和伸缩弹簧的布设原理相同，目的均是为了提供恢复初始态的作用力，在此不再赘述。

具体的，第一工作臂15由第一支撑臂24和第二支撑臂25组成，第一支撑臂24和第二支撑臂25之间固定连接，使得两者之间夹角固定。在本实施例中，第一支撑臂24和第二支撑臂25之间的夹角优选为110°～130°，以更好的实现抱箍。第一支撑臂24和第二支撑臂25的连接处与定位控制平台6销轴连接。第一支撑臂24为能沿长度方向伸缩的伸缩臂，外端部与主杆9销轴连接，第二支撑臂25的外端部与第二导向臂19的一端销轴连接，第二导向臂19的另一端与第三导向臂20的一端销轴连接。

作为本实施例的一种优选方式，为了扩大检测范围，第一工作臂15、第二工作臂16和第三工作臂17的内侧还设有多个能沿检测目标表面滚动的导向轮35。导向轮35可以根据需要采用万向轮或者沿轴向滑动的移动轮。

具体的，弹簧伸缩杆8的外部套设固定有连接套管26。第一工作臂15的一端与连接套管26销轴连接，另一端与位于第一导向臂18内的滑块22销轴连接。第二工作臂16的一端与位于第一导向臂18内的滑块22销轴连接，另一端与位于第二导向臂19内的滑块22销轴连接。第三工作臂17的一端与位于第二导向臂19内的滑块22销轴连接，另一端与位于第三导向臂20内的滑块22销轴连接。

作为本实施例的一种优选方式，连接座11两侧还延伸设有用于与第一支撑臂24和第二支撑臂25连接处铰接的主支撑臂29。连接座11位于套筒28两侧，连接座11从水下机器人1机体框架两侧延伸出主支撑臂29与第一导向臂18通过销轴进行连接。

在实际使用时，在条件、成本允许的情况下，可以加装电控系统对联动夹持机构的夹臂折叠展开和抱拢等行为进行更精细化的控制。

如图5所示，本发明还提供了一种利用上述基于联动夹持机构的桥梁桩基水下检测装置的检测方法，具体如下：

步骤S1：检测准备。水下机器人1、传感模块2自检，在本实施例中传感模块2主要为一个安装在前侧的双目相机32和一个安装在双目相机32下方的二维图像声呐33，如图3所示。联动夹持机构3复位至初始状态如图1所示。

步骤S2：装置投放。通过吊环14吊装水下机器人1至工作水域，在检测目标附近投放水下机器人1。

步骤S3：装置贴近。如图6所示，水下机器人1通过推进器12靠近检测目标。本实施例中，检测目标为一直径1m左右的桩基34。联动夹持机构前端的柔性撞角7首先接触到桩基34表面。

步骤S4：夹臂展开。水下机器人1通过推进器12进一步向前推进，将柔性撞角7抵在桩基34表面，推动压杆9前侧的弹簧伸缩杆8进行收缩，并带动连接套管26位移，进而通过各工作臂带动各滑块22在相应导向槽21中的滑动，推动外侧的第一导向臂18、第二导向臂19和第三导向臂20以及内侧的第一工作臂15、第二工作臂16和第三工作臂17从图6所示的初始折叠状态逐步展开，直至弹簧伸缩杆8推至压缩行程后，折叠式夹臂5展开至工作状态，即从图8中的a状态进行至b状态。

步骤S5：夹臂抱拢。水下机器人1通过推进器12继续向前推进，挤压压杆4的主杆9向定位控制平台6的套筒28内位移，与主杆9相连的第一支撑臂24随之改变伸缩状态，同时带动折叠式夹臂5逐步向前抱拢，直至压杆的弹性限位块10被挤入套筒17的限位孔槽31中到达最终行程，即从图8中的b状态进行至c状态。双目相机32和二维图像声呐33开始按照检测计划进行工作。此时可采用工作臂内侧安装的导向轮35沿桩基轴向进行移动进行大范围检测。

步骤S6：结束检测，夹臂展开复位。双目相机32和二维图像声呐33检测完毕后，定位控制平台6上的推拉式电磁铁通电，使复位杆30弹出并按住弹性限位块10，解除主杆9的轴向限位。推进器12工作推动水下机器人1向远离桩基34的方向移动，主复位弹簧27利用自身弹性势能推动压杆主杆9从套筒17内脱出，在连杆机构(即压杆4、折叠式夹臂5组成的联动结构)及导向槽21内的伸缩弹簧23配合下带动折叠式夹臂5从抱合状态移动至展开状态，即从图8中的c状态返回至b状态。

步骤S7：夹臂折叠复位，流程结束。压杆4的弹簧伸缩杆8通过其内部的压缩弹簧的弹性势能复位，带动连接套管26复位，进而通过连杆机构与滑块22的配合将各工作臂和各导向臂折叠至初始状态，即从图8种的b状态返回至a状态，完成检测流程。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。