[分享]日本桥梁养护机器人的崛起

近些年，自动化和远程遥控养护设备在桥梁工程领域中得到了广泛的应用，并成为一种流行趋势。

在日本，20世纪90年代中期，桥梁业主才首次对桥梁检测机器人进行测试，并将其应用于实际工程中。截止到2019年，他们已经开发出第二代桥梁检测机器人。与上一代机器人相比，这些新型设备的可操作性和检测能力不仅得到了显著提升，而且可以更安全、更可靠的对桥梁关键结构进行近距离检测。

连接日本本州岛和四国岛的大跨径桥梁共有17座，这些大桥横跨日本最大的内海——濑户内海，是日本三条海峡连接线工程的重要组成部分。这三条海峡连接线包括1998年建成通车的明石海峡大桥，主跨1991米，至今仍然保持着悬索桥的世界纪录；来岛海峡大桥，全长4公里，是一座三联悬索桥；多多罗大桥，全长1480米，主跨890米，1999年建成通车，是当时世界最长的斜拉桥。

负责这17座大桥的养护维修工作的单位是本-四联络桥高速公路公司（HSBEC）。为了面对日益增加的大桥检测需要、改进传统的养护方式，在桥梁建造之前，桥梁管养部门就已经考虑到了日后需要对这些大型结构进行定期检测，出于这个原因，日本推出了第一代检测机器人原型机。

明石海峡大桥始建于1989年，是一座三跨双铰加劲钢桁梁悬索桥。桥塔为钢结构，高300米，塔身均涂有特殊的防腐及防护涂层。为了防止防护涂层随着时间产生老化、锈蚀，大桥养护部门必须在两次重新涂装作业之间进行检测和局部修复，这也成为养护部门开发初代检测机器人的主要动力和目的。

对悬索桥塔架进行检测作业的传统方法是使用检测船或其他特种设备，将人员和检测设备从海上直接吊到桥塔处，然后再进行局部检测和修复。但是这种做法极易受到天气条件的影响，尤其是受到海风影响时，检测结果并不准确。同时，为了保障工程技术人员的安全，养护部门还需要制定大量的安全预防措施，为作业人员提供专业的安全防护设备，并进行相关安全培训。

传统设备的局限性在于需要建立可靠、安全的养护制度，为了保障工程团队能够对桥梁结构表面进行远程检测，工程团队不得不开始研究其他的可行性解决方案。最初的机器人原型机于1996年开始研制，该原型机可以通过摄像头对结构体进行近距离检测，也可以进行基本的表面预处理和涂层修补。这种检测机器人内部安装了一个可以进行近距离观测的摄像头、一个用于表面处理的钢刷和一个用于表面修复的喷涂工具。

同时，这种检测机器人还安装了磁性车轮，这种车轮可以附着在桥梁主塔的垂直立面上，并且能够穿过间隔为10米的主塔连接杆件。同时，它也安装了一个刮刀和一个可以进行遥控指挥的涂装设备，这个刮刀连接在一个有5个自由度的多关节机械手臂上。正是因为有了这些桥梁检测、维护工具，检测机器人才能够更安全，更轻松地完成检测作业，检测维修高度甚至可以达到距地面300米处。

尽管初代检测机器人能够完成上述这些简单的任务，但是它的原型机却很大，也很笨重，其重量达200公斤，长度超过1.3米。其运行的最大速度约为5米/分钟。另外，它只是一个单一的机械单位，不能被拆解成更小的部件进行运输和现场组装，这也意味着检测机器人需要配合特殊的起重设备才能进行工作，极大地限制了其养护处理能力。

最近，日本重启了促进工程检测发展计划并修改了《公路桥梁检测法》。2014年的部长修订法案规定，必须对所有道路桥梁进行近距离检测。因此，开发一个能够轻松完成桥塔表面检测的机器人就显得尤为迫切。

图1 明石海峡大桥钢结构连接杆件

本-四联络桥高速公路公司在研发第二代检测机器人时，希望推出一款可以通过摄像头进行近距离检测的机器人，这种机器人不仅要体积更小、重量更轻，还要有更好的可操控性。在整个开发过程中，最主要的挑战来自于压缩机器人尺寸、减轻机器人重量的同时，满足其在钢桥塔表面连接件上进行作业的需要。这些钢结构连接件由许多高强度螺栓相互拼接而成，其中拼接板厚度为22毫米，螺栓头厚度为21毫米。因此，机器人需要面对的最大障碍高度为43毫米。

图2 明石海峡大桥螺栓及连接杆件

2018年夏天，由本-四联络桥高速公路公司及其附属的桥梁工程公司开发的新型检测机器人，在明石海峡大桥的一座高塔上进行了首次测试。整个机器人长862毫米，重83公斤，可以被拆解成6个部分，最大的一部分重32公斤。同时，该机器人还可以进行手动操作，不需要重型机械或专业设备进行组装。不仅如此，二代检测机器人的运行速度达到了10米/分钟，是初代原型机器人的两倍。

为了能够使机器人变得更小、更轻，研发部门取消了其修复功能，并将全部精力集中在检测功能上。同时，为了缩小设备尺寸，技术人员还对车身和磁轮设计进行了优化。虽然机器人的移动速度和检测船差不多，但它的自主移动能力意味着它可以更快地完成检测作业。

在测试过程中，技术人员成功地对新机器人进行了手动指挥，测试结果显示该设备能够在垂直、水平和对角方向上进行移动。但是，当时技术人员并没有测试其在桥面板底部的移动能力。为了能够近距离检测桥梁的上部结构，技术人员在该机器人中安装了高清摄像头，这个摄像头可以回传高清影像，以帮助工程师制定相应的养护措施。经过一系列的测试，工程师们决定对该设备进行进一步的改进，以便为桥梁运营单位提供更好的操作体验和更精准的检测服务。

检测机器人的操作也非常简单,仅需一个人和一个操纵杆就可以完成整个操作。整个检测过程,操作人员可以根据摄像机传回的影像来引导机器人从桥塔底部向上移动。虽然没有详细的计算时间和成本,但与传统的钢结构桥梁检测方法——检测船、空中作业平台、高分辨率远距摄相机相比,机器人检测更加容易、安全、高效。另外,这次研究工作的主要目的也是为了开发出一种可以替代传统检测的方法,特别是在一些难以进入的区域,检测机器人的使用也让桥梁养护部门节约了大量检测成本和检测时间。

在检测桥塔情况时,检测人员通过可见光摄像机和红外摄像机在距离桥塔表面1米处拍摄桥塔的视频片段。这些影像资料将传回给检测人员,并成为桥塔表面检测的依据。最后,检测人员可以从影像资料中寻找出防护涂层中出现的异常,比如鼓包和裂缝，这些结构和涂层问题的出现也意味着养护部门需要有针对性的对此处进行修复和维护。

由于连接本州岛和四国岛的17座大跨径桥梁均为钢桥，而且这些桥梁也都由本-四联络桥高速公路公司负责养护，所以该新型检测机器人很可能将被应用于其中一座或几座桥梁的养护中。在这17座大跨径桥梁中，明石海峡大桥的桥塔最高、连接件尺寸最大，通过这次检测应用，工程师们克服了理论上最为严酷的检测条件。但是，该团队也承认，这款检测机器人如果应用于桥塔高度超过300米的大桥或更大的连接件，机器人的车轮将失去磁性，这些缺陷还需要进一步进行改善。

本-四联络桥高速公路公司养护团队还开发出了另外两款不同用途的机器人。一种用于防腐涂料的再喷涂作业，另一种用于清理下部结构沉井壁。

由于传统的高空作业，以及恶劣条件下作业的难度和成本都很高，养护部门考虑的另一个关键问题是钢桥再喷涂作业的机械化改造。为了解决再喷涂作业的机械化改造，养护部门必须解决一系列技术问题，例如如何将喷涂机器人运送到指定地点，如何开发出适合的喷涂工艺等。

最初，本-四联络桥高速公路公司专注于开发一种在箱梁上作业的机器人，因为这些钢箱梁大多都具有平坦的表面，非常适合机械化的再喷涂作业。同时，他们还开发了一种能够处理不平整的涂层表面的灵活喷涂滚轮，以及涂有磨料颗粒的尼龙清洁滚轮，还有用以支撑滚轴和刷子，拥有5个自由度并带有关节的机械手臂、一个控制机械运动的控制系统。经过一系列的实验室测试以后，养护公司制造出了一个实验机器人，并在大岛大桥上进行了试验段测试。大岛大桥是一座单跨悬索桥，主跨560米，桥面为钢箱梁。

图3 明石海峡大桥检测机器人

该机器人集成了机械关节臂、压缩机、除尘器、喷涂泵和控制系统。为了防止油漆飞沫飘散在外部环境中，工程师在用于表面处理的滚轮上安装了盖子和除尘器。同时，为了保证喷涂厚度均匀，工程师将安装在前部的一对油漆滚轮与安装在后部的一对油漆滚轮的旋转调整为相反方向。大桥整个试验段面积约3000平方米，可以保障工程师们进行一系列的观测。不仅如此，设计的滚轮还能够很好地追踪不均匀表面，与手工作业相比，喷涂机器人的表面处理效果更加均匀平整。

工程技术人员还发现涂装滚轮可以紧密贴合在不均匀的结构表面，机器人的涂装效果完全可以和手动涂装相媲美。目前，机械涂装的效率可以达到150平方米/天。但是，随着技术人员操作熟练程度的提升，机器人涂装效率也将越来越高。

养护部门开发的第二个机器人是钢沉井壁清洗机器人。通常情况下，这种沉井壁清洗工作由潜水员完成，而且必须在钢结构电镀防护系统安装之前完成。但是，潜水员作业不仅效率低下，而且在海平面以下40米处作业也十分困难。为了解决这一问题，本-四联络桥高速公路公司开发出这种沉井壁面清洗机器人，可以从沉井上方进行远程控制，清洗方式为高压水射流清洗方式。

由于这种清洁机器人安装了可以在沉井壁上行走的磁轮，即使在速度约为1米/秒的潮汐中，机器人也可以保持自身稳定。这种清洁机器人的使用不仅提高了清洁效率、安全性和清洁质量，也降低了水下清洗工作的作业成本。