機器人并不都是“旱鴨子”，作為彰顯海洋特色的現代化城市和國際科技創新中心重要承載地，廣州的眾多涉海科研機構一直專注于研發各類水下機器人，用于海洋調查、能源開采、海底考古等諸多領域。

近年來，廣州大學劉愛榮教授團隊研發了專門用于檢測橋梁、大壩等涉水結構的水下結構檢測機器人。這款機器人有何特色？

為什么要研發“大眼仔”？

解決橋梁檢測水壓大、看不清等難題

橋梁大壩等水下結構看不到、摸不著，作業風險高，一直是檢測的痛點。以往水下結構的檢測主要靠潛水員水下摸樁，但潛水員并不是專業的工程師，對“病害”認知不是很清晰；如果水體較深，潛水員則無法下潛到指定位置；如果水體渾濁，潛水員也會因為看不清而無法完成既定的檢測任務。

從2017年起，劉愛榮團隊啟動了自主研發水下機器人來代替潛水員完成橋梁水下結構檢測工作。2019年，團隊制作出水下檢測機器人初代樣機。后來，越來越多學科背景的成員加入研發團隊，不斷提升各項性能指標。近日，該團隊的第五代水下檢測機器人正式發布，抗擾流能力得到極大提升，能夠在急流下順利完成水下結構檢測工作。不僅如此，水下檢測機器人還練就了另一大本領——渾水檢測。

水下檢測機器人已獲授權了50余項相關專利，而水下結構“病害”圖像增強算法和智能識別算法，并可搭載機械臂、回彈儀、聲吶、超聲波探頭、取水器等裝置，同時還具備非接觸檢測和接觸檢測的功能。

水下結構檢測機器人的視覺模塊猶如一只有智慧的“大眼睛”。

“大眼仔”已為多座廣州橋梁做檢測

劉愛榮團隊非常重視水下機器人的成果轉化與應用示范。團隊高級實驗師陳炳聰介紹，早在2023年，團隊所擁有的國家發明專利“變體積輔助驅動水下機器人及控制方法”就已獲得大灣區高價值專利培育布局大賽銀獎。

劉愛榮介紹，團隊研發的水下機器人在橋梁、大壩、泵房、管道等涉水結構的檢測中發揮了重要作用，代表性工程有廣州珠江高等級航道橋——廣州大橋、珠江大橋、海珠橋、江灣大橋等20余座鐵路橋的水下橋墩樁基。

機器人的水下視野

水下機器人硬核技能

“渾水摸縫”

能清晰辨別橋墩表面0.2mm的裂縫

渾水檢測如何實現？在濱海地區或河流出海口，泥沙和水生生物比較多，盡管水下機器人配備有高清攝像頭和照明設備，但依然無法在渾水下獲取清晰的數據圖像。為解決這個難題，團隊在機器人軟硬件方面作了升級。

渾水場景檢測是市面上其他水下機器人不太考慮的場景，卻是團隊在水下結構檢測方面必須攻克的難關。通過大量實驗，團隊研發了渾水濾鏡，并通過光學、聲學兩種方法多模態收集水下結構的各種“病害”，利用自研的算法進行聲光數據的融合和整體成像，從而實現了高清晰度的水下結構檢測。經過性能升級，團隊研發的水下機器人已能在水體渾濁度50NTU單位的情況下，清晰辨別橋墩表面0.2mm的裂縫，與清水狀態下檢測的效果一致。

“急流立定”

8個螺旋槳推進器自主調整

可在2米/秒水流下保持穩定

抗擾流能力強是該水下機器人的另一大特點。

自然河流水流速度較快，水下機器人要實現對水下結構的檢測，其穩定作業能力至關重要。最初，為實現水下機器人在擾流中的姿態穩定，團隊成員們在劉愛榮的指導下，對機器人的外部結構和控制算法進行了優化。成員們對機器人的結構、流體力學特性以及控制算法乃至各個細節都進行了升級。剛剛發布的第五代水下機器人抗擾流能力從初代機的0.5~0.7m/s提升到2m/s，足以應對大多數河流。此外，該水下機器人共配有8個螺旋槳推進器，機器人能自動感受水下擾流的流速、流向，通過相關算法主動消減水流的影響，保持其在水中姿態的穩定。

“病害”百科

深度學習“病害”圖像模型檢測

準確率超95%

劉愛榮介紹，利用水下機器人所搭載的科學儀器以及后臺算法，可針對橋梁大壩等水下結構開展兩類檢測：一是非接觸檢測，即通過機器視覺檢測水下結構表觀缺陷，如混凝土的開裂、剝落、漏筋、鋼筋銹蝕、河水對橋墩的沖刷淤積等。二是接觸式檢測，利用機器人搭載超聲波探頭、回彈儀、鋼筋掃描儀等設備，通過接觸水下結構的表面獲取混凝土的強度、鋼筋的分布、內部空鼓等數據。

水下機器人通過深度學習大量水下結構“病害”圖像，可以自動識別“病害”，對裂縫等‘病害’的識別度也非常高。團隊建立了大量的‘病害’數據庫，進行了人工標注，這讓模型得到非常全面的訓練，如今水下裂縫識別準確率可達到95%以上，未來，模型通過進一步訓練，準確率還將進一步提升。

視覺模塊

位于水下機器人的最前方，由高清攝像頭和LED燈組成。在水下，LED燈可以打光，輔助攝像頭拍攝橋梁、大壩等水下結構的“病害”圖像。

控制模塊

位于視覺模塊后方，內含計算機芯片，封裝自主研發的核心控制算法，控制算法類似人的中樞大腦，可指揮水下機器人的行動路徑和運動姿態。

動力系統

由8個螺旋槳構成，可利用控制算法向螺旋槳下達指令，確保機器人能實現不同的水下運動姿態，并在急流中保持平衡。經過結構優化，該水下機器人已能實現100米左右的潛深。

外接拓展模塊

位于視覺模塊和控制模塊之間，配有多個外接插頭，可以外接機械臂、聲吶、超聲波探頭、回彈儀、鋼筋掃描儀等接觸檢測設備。

供電模塊

供電電池密封安裝于機器人尾部，可確保機器人3小時左右的續航，也設置了接口可以外接220V電源，方便使用者根據實際情況選擇供能方式。

廣州水下機器人能耐大

在廣州這座彰顯海洋特色的現代化城市內，眾多科技企業和科研院所都在研發、銷售各種用途的水下機器人。

亞洲最大的履帶式海底管纜埋設機器人“金牛座”：去年，“金牛座”圓滿完成3個海底電纜鋪設和維修項目。該水下機器人就像一艘海底的“小坦克”，依靠履帶邊前行邊埋纜，平均埋纜速度為350米/小時~500米/小時，最高可達750米/小時。相比傳統的拖曳式管纜埋設機器人，“金牛座”的作業效率至少提升了兩倍，讓我國海底管纜埋設技術達到國際頂尖水平。

水下作業機器人“穿越-A300”：2022年北京冬奧會上，一段“水下火炬傳遞”的環節備受大家關注，火炬在水下燃燒，機器人能自主完成火炬對接，這正是廣東智能無人系統研究院（南沙）的“硬科技”。2023年，該院又成功研制了“穿越-A300”水下機器人。該機器人可在水下狹窄環境開展作業，適用于水務測繪、水下應急救援等工作。該設備已在國家重大水利工程“珠江三角洲水資源配置工程”中進行了測繪檢測工作，并在廣州南沙港區邊防檢查中成功實現了對重點部位的精準定位。

水下清淤機器人：在城市，泵站、渠箱等排水設施清淤養護工作已成為水生態環境治理的痛點難點之一。自2021年開始，廣州市城市排水有限公司利用兩年半的時間，研發出水下清淤機器人，該機器人采用機電液技術，將集料、泵送、行走、水下感知等控制單元融為一體，搭載可視化智能操作系統，具備遠程控制機器人運動，實時查看機器人工作場景、設備運行狀態、水下定位導航、識別障礙物等功能，目前已成功應用于廣州市中心城區的泵站、渠箱、深隧。

兩棲檢測機器人正在研發中

目前，針對橋梁的智慧檢測，劉愛榮團隊正在研究將水下檢測機器人升級為水陸兩棲檢測機器人。

劉愛榮介紹，他們計劃在機器人上安裝吸盤或旋翼，當它離開水面后，可以像無人機一樣飛行并抵達指定位置，進而繼續進行橋梁的其他部分檢測。有了水陸兩棲橋梁巡檢機器人，就可以實現一機多用，開展水陸一體化檢測，大大節省人力物力。

參考來源

廣州日報《廣州有只“大眼仔”，專為大橋“做體檢”》

https://mp.weixin.qq.com/s/SBKQW7l7CI_KBGclqbCr3g

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