智能抗壓機器人在混凝土檢測中的應(yīng)用

引言對建筑行業(yè)的檢測人員或檢測機構(gòu)而言，建筑材料性能檢測是一項復雜而又繁瑣的工作。水泥混凝土作為近現(xiàn)代最廣泛使用的建筑材料之一[1]，也是當前最大宗的人造材料之一，其結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性將直接影響工程質(zhì)量?；炷恋目箟簭姸仁腔炷恋闹饕匦灾籟2]，是檢測建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量的重要性能參數(shù)。就目前檢測行業(yè)現(xiàn)狀而言，對于混凝土抗壓強度試驗，大部分檢測機構(gòu)仍采用傳統(tǒng)的一人、一機、一崗模式，效率低且試驗過程容易受外部因素干擾，無法保證試驗的準確性與公正性。如何保證試驗檢測數(shù)據(jù)的準確性與真實性，避免由于人工檢測過程耗費長，操作繁瑣而造成的誤差影響，成了當下需要解決的一大難題。近年來，互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)、人工智能及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展，相關(guān)理念及技術(shù)也影響著各行各業(yè)[3]，而數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、服務(wù)化是新一輪工業(yè)革命的主要特征與核心要素[4]，這對混凝土力學性能的檢測產(chǎn)生了深遠影響。智能抗壓機器人的成功研發(fā)為此難題提供了借鑒，該設(shè)備依托“計算機網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能”，充分運用成熟技術(shù)和模式，對管理存儲的專業(yè)數(shù)據(jù)進行深度清洗、分析、挖掘[5]，呈現(xiàn)出一種不同于人工抗壓的新檢測方式，通過各種智能化信息傳感器、射頻識別、視頻識別、自動系統(tǒng)等裝置和技術(shù)，可實現(xiàn)材料智能檢測的物與物、物與人的連接，以及對材料檢測的智能化感知、判斷識別和管理，極大便利了檢測工作的進行，對今后智慧實驗室[6]實現(xiàn)試驗全過程的無人化、可視化和自動化奠定了良好基礎(chǔ)，同時對檢測行業(yè)的自動化、智能化、信息化發(fā)展具有重要意義。1、智能抗壓機器人檢測概述及應(yīng)用

智能抗壓機器人主要由自動化控制系統(tǒng)、信息化智能系統(tǒng)2部分組成。自動化控制系統(tǒng)主要包括全自動試驗、試件標識系統(tǒng)、殘渣自動清理系統(tǒng)、動分揀碼放、設(shè)備異常云預警5部分組成。其中上料系統(tǒng)由六軸高精度智能機械臂配套混凝土試件專用機械抓手組成，智能機械抓手采用隱藏式設(shè)計，集成多個超薄光電感應(yīng)傳感器，自動識別試件堆放位置、精準定位承壓中心點，可用二維碼芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手動標識，自動上料系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的人工上料工作，通過高速掃碼識別系統(tǒng)，自動對試件編碼進行識別，然后根據(jù)試件的強度等級，自動切換標準試驗速率并完成試驗。可根據(jù)試驗結(jié)論，對合格及不合格品進行自動分揀，同時可實現(xiàn)試驗殘渣的全自動清掃和傳送，確保試驗環(huán)境的干凈整潔。另外，當設(shè)備運行出現(xiàn)異常時，聲光報警裝置可實時自動預警，便于檢測人員排除異常情況。信息化智能系統(tǒng)主要由二維碼芯片、CEM系統(tǒng)、線上APP組成，運用互聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)技術(shù)通過服務(wù)器數(shù)據(jù)接口將CEM系統(tǒng)與二維碼芯片連接起來，最后在機械臂程序里集成。CEM系統(tǒng)作為攪拌站生產(chǎn)、運輸、委托的基本運行軟件，會根據(jù)混凝土試塊委托規(guī)則對已經(jīng)發(fā)生的任務(wù)進行試塊委托同時生產(chǎn)唯一的事件編號，試驗員根據(jù)事件編號在線上APP上同步搜索就會出現(xiàn)對應(yīng)的信息（工程名稱、混凝土標號、罐車號、部位、齡期）。通過對植入二維碼芯片的試塊進行掃碼錄入，使之前的信息同步到二維碼芯片中，大大提高了錄入效率。不僅如此二維碼芯片中還附帶定位追蹤功能，有效預防沒有制作試件就出具試驗報告、不按規(guī)定齡期試驗、試驗樣品“偷梁換柱”以及出具虛假數(shù)據(jù)等現(xiàn)象的發(fā)生。最后通過安裝在一側(cè)的高速掃碼識別后,RFID讀寫器的天線會自動檢測到混凝土試塊,系統(tǒng)強度測試模塊根據(jù)檢測到的試塊的電子標簽號碼,查找數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)記錄,并根據(jù)記錄判斷當前試塊的齡期是否和數(shù)據(jù)庫中相符。判斷結(jié)果顯示于系統(tǒng)屏幕上,如果相符,啟動壓力機的強度測試功能,在測試完成后,系統(tǒng)自動記錄測試結(jié)果，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至CEM系統(tǒng)自動生成報告。試驗過程中自帶的視頻監(jiān)控設(shè)備，可將檢測過程的影像資料以信息儲存的方式完整留存，為檢測過程的溯源提供數(shù)據(jù)支持。智能抗壓機器的信息化智能檢測流程如圖1所示。圖1

信息化智能檢測流程2、試驗數(shù)據(jù)分析

2.1檢測設(shè)備選用情況智能抗壓機器人選用一套由壓力機DY-2008DFZ、六軸機械手DY-ROBOT6、壓力機嵌入系統(tǒng)V1.0及試塊流轉(zhuǎn)車組成的“一拖一”（一臺機械臂配合一臺壓力機）設(shè)備（如圖2所示），其自動化水平高，抗壓設(shè)備的量程為2000kN，精度為1級，且設(shè)備檢定合格，在檢定有效期內(nèi)。圖2

某公司智能機器人壓力機（一拖一）人工檢測選用YA-2000壓力試驗機，需在混凝土試塊試壓前用黑板筆對試塊進行統(tǒng)一標識，然后由人工搬運至檢測設(shè)備上，手動開啟檢測設(shè)備進行抗壓性能檢測，檢測完畢后再由人工將檢驗完成的試塊搬卸至廢料區(qū)，并手動清掃檢測設(shè)備上的混凝土殘渣。該設(shè)備的量程為2000kN，精度為1級，且設(shè)備檢定合格，在檢定有效期內(nèi)。

2.2試驗結(jié)果分析為了便于對比分析，在此選用引進智能抗壓試驗機器人后，平穩(wěn)運行半年的數(shù)據(jù)來分析智能化檢測實施后的水平，具體見表1。表1

智能壓力機器人使用前后試塊檢測時間對比對表1進行對比分析，使用智能抗壓試驗機器人之前，平均每小時可完成7.6組試驗，使用之后可完成12.0組試驗，另外，完成同樣的工作量，相對于YA-2000抗壓設(shè)備，使用智能抗壓機器人的試驗時間平均值降低了37.0%，大大提高了檢測效率。這是因為智能化設(shè)備的程序執(zhí)行性較強，自動化水平較高，機械手臂可實現(xiàn)24h不間斷工作，使人不在場時的工作場景得到了充分利用。為比較兩者在試驗數(shù)據(jù)可靠性方面的優(yōu)劣勢，采用控制單一變量的方法進行對比試驗分析。選取了同強度等級、同批原材料、同一配合比、同批次成型的混凝土立方體試件進行對比試驗，試件公稱尺寸均為100mm×100mm×100mm，數(shù)量為100組，強度等級分別為C30和C45，數(shù)量各為100組，養(yǎng)護齡期均為28d，并經(jīng)過了均勻性試驗，適合用于對比分析。根據(jù)GB/T50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》規(guī)定，立方體抗壓強度為30～60MPa時，加荷速度宜選取0.5～0.8MPa/s[7]，故C30和C45強度等級試塊均選用0.7MPa/s的速率進行試驗。且對比試驗應(yīng)在同一環(huán)境條件、同一時間內(nèi)進行，試驗時的溫度濕度保持一致，確保試驗數(shù)據(jù)的準確性。分別統(tǒng)計每組試驗的報出值，精確至0.1MPa，結(jié)果如圖3、圖4和表2所示。圖3

C30試樣抗壓圖4

C45試樣抗壓由圖3和圖4可知，2種檢測方式所獲得的抗壓強度值相差不大，智能抗壓機器人的試驗數(shù)據(jù)的離散程度低，數(shù)據(jù)較為集中，YA-2000試驗機的試驗數(shù)據(jù)的離散程度高，數(shù)據(jù)較為分散，相比而言，前者數(shù)據(jù)穩(wěn)定性更好。表2

2種設(shè)備檢測結(jié)果的統(tǒng)計分析由表2可知，2種檢測方式對于C30等級試塊來說，試驗結(jié)果平均值相差0.13MPa，差異率為0.37%，C45的試驗結(jié)果平均值相差0.02MPa，差異率為0.04%，百分比均小于1，可以認為數(shù)據(jù)總體上差別不大。標準差方面，對于C30等級，2種檢測方式分別為0.6159、1.0653,對于C45等級分別為0.4194、0.9563。結(jié)果表明：智能抗壓機器人的標準差更小些，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性更加良好。同時可以看出智能抗壓機器人的試驗數(shù)據(jù)平均值更小一些。產(chǎn)生這些結(jié)果的原因是2種設(shè)備對結(jié)果的判定方式不同造成的，對于智能抗壓機器人來說，當檢測到試件承壓面破壞點數(shù)達到5個，數(shù)值下降10kN時，停止試驗，并采集曲線最大值，而YA-2000壓力試驗機為人工控制設(shè)備，試驗速率的控制、力的卸載情況受人為因素影響大，與試驗員本身的工作習慣相關(guān)性大，故智能抗壓機器人的試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定性更好。3、檢測設(shè)備的優(yōu)劣勢對比

2種檢測方式的區(qū)別見表3。通過對表3的分析可知，傳統(tǒng)人工抗壓試驗具有效率高、設(shè)備成本低的優(yōu)點，適用于進行小批量試驗，而智能機器人抗壓試驗具有操作簡單，節(jié)省人工，試驗結(jié)果干擾因素小等優(yōu)點，且可通過增加壓力機臺數(shù)的方式提高試驗效率，適用于進行大批量試驗。通過引進具有自動化控制系統(tǒng)的智能抗壓機器人，可根據(jù)混凝土試件齡期的不同，實現(xiàn)自動化無人值守，大大降低了勞動強度的同時還改善了工作環(huán)境。表3

傳統(tǒng)人工抗壓和智能抗壓機器人抗壓試驗的區(qū)別4、智能抗壓機器人檢測展望

智能抗壓機器人從初步研發(fā)調(diào)試到現(xiàn)在大規(guī)模試驗檢測的進行，是企業(yè)不斷進步發(fā)展的產(chǎn)物，同時也是對于建筑工程質(zhì)量檢測技術(shù)的升級革新。其快速、準確、智能和流水線式作業(yè)成為自動化智能檢測系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)抗壓檢測系統(tǒng)的顯著特征。隨著科技的發(fā)展，工業(yè)4.0時代的來臨愈來愈近，社會生產(chǎn)及生活智能化的要求也愈來愈高，智能抗壓機器人在檢測中的應(yīng)用會有巨大的市場潛力及光明的發(fā)展前景。當今智能抗壓機器人檢測的發(fā)展也存在著一定的阻礙及缺陷，成本較高，設(shè)備器械的故障率較高，智能化系統(tǒng)設(shè)計的精密性及全面性相對較差，智能化水平待進一步提高。因此，設(shè)備的電器元件及編程的合理性、高效性及設(shè)計的全面性顯得尤為重要。隨著檢測技術(shù)和智能化裝備的快速發(fā)展，實時化、精確化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化及智能化檢測的程度將進一步加強，也成為工程質(zhì)量檢測技術(shù)未來發(fā)展的主要方向。以運輸機器人為代表,以單軌小車、傳送帶、傳送鏈、傳送軌道為輔助，并通過升級改造成型室、養(yǎng)護室、力學室，建設(shè)一套覆蓋所有建設(shè)單位的共同線上操作系統(tǒng)成為混凝土力學性能檢測研究的重要方向，該系統(tǒng)可使施工單位與檢測單位做到實時同步，可通過共享二維碼芯片直接讀取信息檢測，無需人工核實，完成從試塊同步制作委托開始就掃碼自動傳送上架，到期掃碼自動傳送裝車，再根據(jù)軌道小車運行至固定位置進行自動化試驗檢測。檢測結(jié)果實時上傳至平臺，可隨時關(guān)注質(zhì)量動態(tài)，方便質(zhì)量控制，實現(xiàn)試驗系統(tǒng)從試件養(yǎng)護到抗壓試驗、數(shù)據(jù)查詢等完整的運作過程，大大解放人力物力，使檢測行業(yè)向先進化、智能化、自動化大步邁進。結(jié)語

本文以某公司的智能抗壓機器人為例，詳細介紹了智能抗壓機器人的組成，并通過試驗數(shù)據(jù)分析與傳統(tǒng)人工抗壓設(shè)備進行了比較。結(jié)果表明：（1）采用YA-2000抗壓設(shè)備，平均每小時可完成7.6組試驗，采用智能抗壓機器人可完成12.0組試驗，日平均試塊相同情況下，相比于傳統(tǒng)人工抗壓設(shè)備，智能抗壓機器人平均試驗完成時間減少了37.0%，顯得更為高效。（2）對于抗壓試驗數(shù)據(jù)結(jié)果，智能抗壓機器人與YA-2000抗壓設(shè)備試驗平均值相差0.13MPa和0.02MPa，標準差分別為0.6159、1.0653和0.4194、0.9563，兩者數(shù)據(jù)均在合理范圍內(nèi)，準確性都良好，但是智能抗壓機器人的抗壓結(jié)果