智能抗壓機(jī)器人在混凝土檢測(cè)中的應(yīng)用

引言對(duì)建筑行業(yè)的檢測(cè)人員或檢測(cè)機(jī)構(gòu)而言，建筑材料性能檢測(cè)是一項(xiàng)復(fù)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(dāng)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?qiáng)度是混凝土的主要特性之一[2]，是檢測(cè)建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量的重要性能參數(shù)。就目前檢測(cè)行業(yè)現(xiàn)狀而言，對(duì)于混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，大部分檢測(cè)機(jī)構(gòu)仍采用傳統(tǒng)的一人、一機(jī)、一崗模式，效率低且試驗(yàn)過(guò)程容易受外部因素干擾，無(wú)法保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性與公正性。如何保證試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與真實(shí)性，避免由于人工檢測(cè)過(guò)程耗費(fèi)長(zhǎng)，操作繁瑣而造成的誤差影響，成了當(dāng)下需要解決的一大難題。近年來(lái)，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(duì)混凝土力學(xué)性能的檢測(cè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。智能抗壓機(jī)器人的成功研發(fā)為此難題提供了借鑒，該設(shè)備依托“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能”，充分運(yùn)用成熟技術(shù)和模式，對(duì)管理存儲(chǔ)的專業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)方式，通過(guò)各種智能化信息傳感器、射頻識(shí)別、視頻識(shí)別、自動(dòng)系統(tǒng)等裝置和技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)材料智能檢測(cè)的物與物、物與人的連接，以及對(duì)材料檢測(cè)的智能化感知、判斷識(shí)別和管理，極大便利了檢測(cè)工作的進(jìn)行，對(duì)今后智慧實(shí)驗(yàn)室[6]實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)全過(guò)程的無(wú)人化、可視化和自動(dòng)化奠定了良好基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)檢測(cè)行業(yè)的自動(dòng)化、智能化、信息化發(fā)展具有重要意義。1、智能抗壓機(jī)器人檢測(cè)概述及應(yīng)用

智能抗壓機(jī)器人主要由自動(dòng)化控制系統(tǒng)、信息化智能系統(tǒng)2部分組成。自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要包括全自動(dòng)試驗(yàn)、試件標(biāo)識(shí)系統(tǒng)、殘?jiān)詣?dòng)清理系統(tǒng)、動(dòng)分揀碼放、設(shè)備異常云預(yù)警5部分組成。其中上料系統(tǒng)由六軸高精度智能機(jī)械臂配套混凝土試件專用機(jī)械抓手組成，智能機(jī)械抓手采用隱藏式設(shè)計(jì)，集成多個(gè)超薄光電感應(yīng)傳感器，自動(dòng)識(shí)別試件堆放位置、精準(zhǔn)定位承壓中心點(diǎn)，可用二維碼芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手動(dòng)標(biāo)識(shí)，自動(dòng)上料系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的人工上料工作，通過(guò)高速掃碼識(shí)別系統(tǒng)，自動(dòng)對(duì)試件編碼進(jìn)行識(shí)別，然后根據(jù)試件的強(qiáng)度等級(jí)，自動(dòng)切換標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)速率并完成試驗(yàn)?？筛鶕?jù)試驗(yàn)結(jié)論，對(duì)合格及不合格品進(jìn)行自動(dòng)分揀，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)殘?jiān)娜詣?dòng)清掃和傳送，確保試驗(yàn)環(huán)境的干凈整潔。另外，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)異常時(shí)，聲光報(bào)警裝置可實(shí)時(shí)自動(dòng)預(yù)警，便于檢測(cè)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(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)技術(shù)通過(guò)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(lái)，最后在機(jī)械臂程序里集成。CEM系統(tǒng)作為攪拌站生產(chǎn)、運(yùn)輸、委托的基本運(yùn)行軟件，會(huì)根據(jù)混凝土試塊委托規(guī)則對(duì)已經(jīng)發(fā)生的任務(wù)進(jìn)行試塊委托同時(shí)生產(chǎn)唯一的事件編號(hào)，試驗(yàn)員根據(jù)事件編號(hào)在線上APP上同步搜索就會(huì)出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的信息（工程名稱、混凝土標(biāo)號(hào)、罐車(chē)號(hào)、部位、齡期）。通過(guò)對(duì)植入二維碼芯片的試塊進(jìn)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(yù)防沒(méi)有制作試件就出具試驗(yàn)報(bào)告、不按規(guī)定齡期試驗(yàn)、試驗(yàn)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(guò)安裝在一側(cè)的高速掃碼識(shí)別后,RFID讀寫(xiě)器的天線會(huì)自動(dòng)檢測(cè)到混凝土試塊,系統(tǒng)強(qiáng)度測(cè)試模塊根據(jù)檢測(cè)到的試塊的電子標(biāo)簽號(hào)碼,查找數(shù)據(jù)庫(kù)中的相關(guān)記錄,并根據(jù)記錄判斷當(dāng)前試塊的齡期是否和數(shù)據(jù)庫(kù)中相符。判斷結(jié)果顯示于系統(tǒng)屏幕上,如果相符,啟動(dòng)壓力機(jī)的強(qiáng)度測(cè)試功能,在測(cè)試完成后,系統(tǒng)自動(dòng)記錄測(cè)試結(jié)果，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至CEM系統(tǒng)自動(dòng)生成報(bào)告。試驗(yàn)過(guò)程中自帶的視頻監(jiān)控設(shè)備，可將檢測(cè)過(guò)程的影像資料以信息儲(chǔ)存的方式完整留存，為檢測(cè)過(guò)程的溯源提供數(shù)據(jù)支持。智能抗壓機(jī)器的信息化智能檢測(cè)流程如圖1所示。圖1

信息化智能檢測(cè)流程2、試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

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

某公司智能機(jī)器人壓力機(jī)（一拖一）人工檢測(cè)選用YA-2000壓力試驗(yàn)機(jī)，需在混凝土試塊試壓前用黑板筆對(duì)試塊進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)識(shí)，然后由人工搬運(yùn)至檢測(cè)設(shè)備上，手動(dòng)開(kāi)啟檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行抗壓性能檢測(cè)，檢測(cè)完畢后再由人工將檢驗(yàn)完成的試塊搬卸至廢料區(qū)，并手動(dòng)清掃檢測(cè)設(shè)備上的混凝土殘?jiān)Ｔ撛O(shè)備的量程為2000kN，精度為1級(jí)，且設(shè)備檢定合格，在檢定有效期內(nèi)。

2.2試驗(yàn)結(jié)果分析為了便于對(duì)比分析，在此選用引進(jìn)智能抗壓試驗(yàn)機(jī)器人后，平穩(wěn)運(yùn)行半年的數(shù)據(jù)來(lái)分析智能化檢測(cè)實(shí)施后的水平，具體見(jiàn)表1。表1

智能壓力機(jī)器人使用前后試塊檢測(cè)時(shí)間對(duì)比對(duì)表1進(jìn)行對(duì)比分析，使用智能抗壓試驗(yàn)機(jī)器人之前，平均每小時(shí)可完成7.6組試驗(yàn)，使用之后可完成12.0組試驗(yàn)，另外，完成同樣的工作量，相對(duì)于YA-2000抗壓設(shè)備，使用智能抗壓機(jī)器人的試驗(yàn)時(shí)間平均值降低了37.0%，大大提高了檢測(cè)效率。這是因?yàn)橹悄芑O(shè)備的程序執(zhí)行性較強(qiáng)，自動(dòng)化水平較高，機(jī)械手臂可實(shí)現(xiàn)24h不間斷工作，使人不在場(chǎng)時(shí)的工作場(chǎng)景得到了充分利用。為比較兩者在試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性方面的優(yōu)劣勢(shì)，采用控制單一變量的方法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)分析。選取了同強(qiáng)度等級(jí)、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(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試件公稱尺寸均為100mm×100mm×100mm，數(shù)量為100組，強(qiáng)度等級(jí)分別為C30和C45，數(shù)量各為100組，養(yǎng)護(hù)齡期均為28d，并經(jīng)過(guò)了均勻性試驗(yàn)，適合用于對(duì)比分析。根據(jù)GB/T50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，立方體抗壓強(qiáng)度為30～60MPa時(shí)，加荷速度宜選取0.5～0.8MPa/s[7]，故C30和C45強(qiáng)度等級(jí)試塊均選用0.7MPa/s的速率進(jìn)行試驗(yàn)。且對(duì)比試驗(yàn)應(yīng)在同一環(huán)境條件、同一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)的溫度濕度保持一致，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。分別統(tǒng)計(jì)每組試驗(yàn)的報(bào)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(cè)方式所獲得的抗壓強(qiáng)度值相差不大，智能抗壓機(jī)器人的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散程度低，數(shù)據(jù)較為集中，YA-2000試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)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(cè)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析由表2可知，2種檢測(cè)方式對(duì)于C30等級(jí)試塊來(lái)說(shuō)，試驗(yàn)結(jié)果平均值相差0.13MPa，差異率為0.37%，C45的試驗(yàn)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(rèn)為數(shù)據(jù)總體上差別不大。標(biāo)準(zhǔn)差方面，對(duì)于C30等級(jí)，2種檢測(cè)方式分別為0.6159、1.0653,對(duì)于C45等級(jí)分別為0.4194、0.9563。結(jié)果表明：智能抗壓機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)差更小些，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性更加良好。同時(shí)可以看出智能抗壓機(jī)器人的試驗(yàn)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(duì)結(jié)果的判定方式不同造成的，對(duì)于智能抗壓機(jī)器人來(lái)說(shuō)，當(dāng)檢測(cè)到試件承壓面破壞點(diǎn)數(shù)達(dá)到5個(gè)，數(shù)值下降10kN時(shí)，停止試驗(yàn)，并采集曲線最大值，而YA-2000壓力試驗(yàn)機(jī)為人工控制設(shè)備，試驗(yàn)速率的控制、力的卸載情況受人為因素影響大，與試驗(yàn)員本身的工作習(xí)慣相關(guān)性大，故智能抗壓機(jī)器人的試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性更好。3、檢測(cè)設(shè)備的優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比

2種檢測(cè)方式的區(qū)別見(jiàn)表3。通過(guò)對(duì)表3的分析可知，傳統(tǒng)人工抗壓試驗(yàn)具有效率高、設(shè)備成本低的優(yōu)點(diǎn)，適用于進(jìn)行小批量試驗(yàn)，而智能機(jī)器人抗壓試驗(yàn)具有操作簡(jiǎn)單，節(jié)省人工，試驗(yàn)結(jié)果干擾因素小等優(yōu)點(diǎn)，且可通過(guò)增加壓力機(jī)臺(tái)數(shù)的方式提高試驗(yàn)效率，適用于進(jìn)行大批量試驗(yàn)。通過(guò)引進(jìn)具有自動(dòng)化控制系統(tǒng)的智能抗壓機(jī)器人，可根據(jù)混凝土試件齡期的不同，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化無(wú)人值守，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)還改善了工作環(huán)境。表3

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

智能抗壓機(jī)器人從初步研發(fā)調(diào)試到現(xiàn)在大規(guī)模試驗(yàn)檢測(cè)的進(jìn)行，是企業(yè)不斷進(jìn)步發(fā)展的產(chǎn)物，同時(shí)也是對(duì)于建筑工程質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)的升級(jí)革新。其快速、準(zhǔn)確、智能和流水線式作業(yè)成為自動(dòng)化智能檢測(cè)系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)抗壓檢測(cè)系統(tǒng)的顯著特征。隨著科技的發(fā)展，工業(yè)4.0時(shí)代的來(lái)臨愈來(lái)愈近，社會(huì)生產(chǎn)及生活智能化的要求也愈來(lái)愈高，智能抗壓機(jī)器人在檢測(cè)中的應(yīng)用會(huì)有巨大的市場(chǎng)潛力及光明的發(fā)展前景。當(dāng)今智能抗壓機(jī)器人檢測(cè)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(jì)的精密性及全面性相對(duì)較差，智能化水平待進(jìn)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(jì)的全面性顯得尤為重要。隨著檢測(cè)技術(shù)和智能化裝備的快速發(fā)展，實(shí)時(shí)化、精確化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化及智能化檢測(cè)的程度將進(jìn)一步加強(qiáng)，也成為工程質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)未來(lái)發(fā)展的主要方向。以運(yùn)輸機(jī)器人為代表,以單軌小車(chē)、傳送帶、傳送鏈、傳送軌道為輔助，并通過(guò)升級(jí)改造成型室、養(yǎng)護(hù)室、力學(xué)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(xué)性能檢測(cè)研究的重要方向，該系統(tǒng)可使施工單位與檢測(cè)單位做到實(shí)時(shí)同步，可通過(guò)共享二維碼芯片直接讀取信息檢測(cè)，無(wú)需人工核實(shí)，完成從試塊同步制作委托開(kāi)始就掃碼自動(dòng)傳送上架，到期掃碼自動(dòng)傳送裝車(chē)，再根據(jù)軌道小車(chē)運(yùn)行至固定位置進(jìn)行自動(dòng)化試驗(yàn)檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)上傳至平臺(tái)，可隨時(shí)關(guān)注質(zhì)量動(dòng)態(tài)，方便質(zhì)量控制，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)系統(tǒng)從試件養(yǎng)護(hù)到抗壓試驗(yàn)、數(shù)據(jù)查詢等完整的運(yùn)作過(guò)程，大大解放人力物力，使檢測(cè)行業(yè)向先進(jìn)化、智能化、自動(dòng)化大步邁進(jìn)。結(jié)語(yǔ)

本文以某公司的智能抗壓機(jī)器人為例，詳細(xì)介紹了智能抗壓機(jī)器人的組成，并通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與傳統(tǒng)人工抗壓設(shè)備進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：（1）采用YA-2000抗壓設(shè)備，平均每小時(shí)可完成7.6組試驗(yàn)，采用智能抗壓機(jī)器人可完成12.0組試驗(yàn)，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(jī)器人平均試驗(yàn)完成時(shí)間減少了37.0%，顯得更為高效。（2）對(duì)于抗壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，智能抗壓機(jī)器人與YA-2000抗壓設(shè)備試驗(yàn)平均值相差0.13MPa和0.02MPa，標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確性都良好，但是智能抗壓機(jī)器人的抗壓結(jié)果