本发明涉及建筑工程领域，主要涉及一种检测机器人及使用该检测机器人检测钢管混凝土浇筑质量的方法。
背景技术：
钢管混凝土(concrete-filledsteeltube)组合结构是指在钢管中填充混凝土形成的组合结构，利用钢管和混凝土在受力过程中相互作用使混凝土处于复杂的应力状态，从而使混凝土的强度得以提高，塑性和韧性得到改善。钢管混凝土组合结构充分发挥了钢材与混凝土两种材料的优点，具有：重量轻，在力学性能方面耐疲劳、强度高、耐冲击、延性好，在施工性能方面架设轻便、省工省料、施工速度快等优势，被广泛应用于厂房、高层建筑和大跨结构和桥梁中，受施工工艺和材料自身特性等因素的影响，加之钢管混凝土拱桥设计规范和理论的不完善，现役钢管混凝土组合结构中已出现不同程度的病害，应当引起高度重视。钢管混凝土组合结构的损伤类型主要包括：管内混凝土界面脱空现象、钢管局部鼓曲、钢管局部锈蚀等，其中以钢管混凝土的管壁脱空现象最为普遍，但是，钢管混凝土外部为钢管结构，其内部发生脱空现象，无法通过肉眼发现，存在难以观测、难以检测等问题。
我们研究发现，对混凝土填充密实的构件表面施加脉冲力激励时，冲击瞬间会发出直接声波，而对构件表面的脱空损伤部位施加脉冲力激励时，局部脱空区域的钢板壳受短时冲击力的作用，将发生持续的振动响应，其响应在局部板壳的自振频率处十分明显。因此，本发明通过声压传感器麦克风拾取激励点上空的声压信号，对声压信号进行分析处理，判断构件表面的振动情况，通过振动特性的频率、速度和幅值等参数的差异来判断是否存在脱空损伤。
技术实现要素：
本发明是针对钢管混凝土浇筑过程中难以观测、难以检测等问题，发明了一种可在钢管混凝土上爬行的用于检测钢管混凝土脱空损伤的机器人。该检测机器人利用可吸附履带及其远程遥控功能克服了传统检测手段存在检测盲区的缺点，同时该检测机器人利用无线传输功能实现了信息即时传输、分析的功能。
本发明的检测机器人，采用如下技术方案：
一种检测机器人，用于检测钢管混凝土浇筑质量，包括机械电磁混合敲击锤、麦克风和摄像头，机械电磁混合敲击锤和麦克风均通过可调节夹具分别固定于机器人上的敲击锤机械臂和麦克风机械臂的一端，敲击锤机械臂和麦克风机械臂的另一端均固定在机器人上的控制转垛上，控制转垛上设有基座，基座上安装有转向器，转向器上安装有摄像头。
进一步的，控制转垛通过内部转动机构与机器人车身相连，提供360度的转向，并带动敲击锤机械臂和麦克风机械臂转动。
进一步的，所述机械电磁混合敲击锤包括电动机、半齿齿轮、电磁线圈、隔板、齿杆钢棒、软铁层、回位弹簧、弹簧和敲击锤，电动机带动半齿齿轮旋转，半齿齿轮带动齿杆钢棒向上移动，并压缩弹簧做功，当半齿齿轮旋转半圈后进入无齿阶段，并与齿杆钢棒脱离，齿杆钢棒与敲击锤一起在弹簧的做功下向下弹射，当弹射至弹簧平衡位置,齿杆钢棒开始减速运动，而此时敲击锤在惯性作用下保持原有速度继续运动，并于与齿杆钢棒脱离，直至撞击到待检测钢管表皮，敲击锤在钢管表皮及回位弹簧的作用下，向上反弹，此时，电磁线圈开始通电，并使齿杆钢棒一侧软铁层具有磁性，确保软铁层在与敲击锤一侧软铁层相遇时，牢牢吸住敲击锤,避免其二次敲击钢管表皮。
进一步的，敲击锤内安装有力传感器，力传感器将每次敲击时产生的力的数值传输给检测设备，力传感器前端装有锤帽，锤帽用于保护力传感器。
进一步的，所述麦克风呈圆柱体，下部为音频录入口，上部为输出端，通过数据线将音频信息传到机器人车身上的存储设备。
进一步的，摄像头能相对转向器上下转动，转向器能相对于基座左右转动，摄像头用以观测敲击锤所敲击的地方，并将拍摄视频实时传输给操作人员，并呈现在遥控器屏幕上，以方便操作人员实时操作。
进一步的，该机器人还包括数据采集模块和无线传输模块，数据采集模块是将采集的信号数据化并通过无线传输模块实时将数据无线传输给操作人员，便于其判断检测处混凝土的浇筑情况。
进一步的，该机器人还包括遥控设备，遥控设备主要实现两大功能，一是实现机器人的爬行功能，包括：前进，倒退，以及左右转向；二是实现检测机器人的控制，包括：遥控敲击锤机械臂和麦克风机械臂在竖直平面内自由转动，以及控制转垛的旋转，以实现所述机械臂在水平方向的旋转。
本发明还提出一种使用检测机器人检测钢管混凝土浇筑质量的方法，该方法包括如下步骤：
1)运用人工敲击听音法或红外热成像技术对待检测的钢管混凝土整体结构进行快速检测，初步确定可能发生局部脱空损伤的区域；
2)在该局部脱空损伤的区域划分等间距的10×10测点网格，在每一个网格敲击点处使用敲击锤敲击，局部脱空损伤处的钢壳在敲击锤激励下产生振动；
3)通过麦克风拾取敲击点上空的声压信号，对从敲击锤采集的力信号与敲击点上空采集的声压响应信号进行分析处理，求得每个敲击点的频率响应函数曲线，提取一阶峰值频率和声压模态柔度，以声压模态柔度的数值矩阵作为损伤指标作敲击点网格的损伤云图；
4)根据损伤云图识别脱空损伤区域的面积大小与形状；
5)通过板壳振动的频域特征模型进行验证与校核，确定损伤的具体位置后，对损伤区域进行钻孔灌浆加固处理。
本发明的一种检测机器人及使用该检测机器人检测钢管混凝土浇筑质量的方法，利用可吸附履带及其远程遥控功能克服了传统检测手段存在检测盲区的缺点，同时该检测机器人利用无线传输功能实现了信息即时传输，分析的功能。同时由于使用了可爬行机器人，方便测量高处等不方便上人的区域。本发明采用敲击锤敲击和麦克风拾振的技术方案，无需界面接触耦合，探伤快速方便，能识别最小25mm网格的局部脱空损伤，实现了高精度探伤。
附图说明
图1是探测机器人的立体图；
图2是机械电磁混合敲击锤和麦克风的局部放大图；
图3是探测机器人的俯视图；
图4是摄像头局部放大图；
图5是数据采集模块、无线发射模块及蓄电池安装区示意图；
图6是机械电磁混合敲击锤内部示意图；
图7是钢管混凝土网格划分示意图；
图8是钢管混凝土构件脱空识别成像云图。
附图标记：机械电磁混合敲击锤1、敲击锤机械臂2、麦克风3、麦克风机械臂4、夹具5、螺栓6、摄像头7、控制转垛8、基座9、转向器10、电池安装区11、无线发射模块12、数据采集模块13、半齿齿轮14、电磁线圈15、隔板16、齿杆钢棒17、软铁层18、回位弹簧19、力传感器20、弹簧21、敲击锤22、锤帽23、数据线接口24、压缩段m、回弹段n，n>m。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图1-8对本发明作进一步的介绍。
一种检测机器人，用于检测钢管混凝土浇筑质量，包括机械电磁混合敲击锤1、麦克风3和摄像头7，机械电磁混合敲击锤1和麦克风3均通过可调节夹具5分别固定于机器人上的敲击锤机械臂2和麦克风机械臂4的一端，敲击锤机械臂2和麦克风机械臂4的另一端均固定在机器人上的控制转垛8上，控制转垛8上设有基座9，基座9上安装有转向器10，转向器10上安装有摄像头7。
进一步的，控制转垛8通过内部转动机构与机器人车身相连，提供360度的转向，并带动敲击锤机械臂2和麦克风机械臂4转动。
进一步的，所述机械电磁混合敲击锤1包括电动机、半齿齿轮14、电磁线圈15、隔板16、齿杆钢棒17、软铁层18、回位弹簧19、弹簧21和敲击锤22，电动机带动半齿齿轮14旋转，半齿齿轮14带动齿杆钢棒17向上移动，并压缩弹簧21做功，当半齿齿轮14旋转半圈后进入无齿阶段，并与齿杆钢棒17脱离，齿杆钢棒17与敲击锤22一起在弹簧21的做功下向下弹射，当弹射至弹簧21平衡位置,齿杆钢棒17开始减速运动，而此时敲击锤22在惯性作用下保持原有速度继续运动，并与齿杆钢棒17脱离，直至撞击到待检测钢管表皮，敲击锤22在钢管表皮及回位弹簧19的作用下，向上反弹，此时，电磁线圈15开始通电，并使齿杆钢棒17一侧软铁层具有磁性，确保软铁层在与敲击锤22一侧软铁层18相遇时，牢牢吸住敲击锤22，避免其二次敲击钢管表皮。其中齿杆钢棒17与敲击锤22均贴有一层软铁层，目的是为了使两者结合处消磁更快。
进一步的，敲击锤22内安装有力传感器20，力传感器20将每次敲击时产生的力的数值传输给检测设备，力传感器20前端装有锤帽23，锤帽23用于保护力传感器20。
进一步的，所述麦克风3呈圆柱体，下部为音频录入口，上部为输出端，通过数据线将音频信息传到机器人车身上的存储设备。
进一步的，摄像头7能相对转向器10上下转动，转向器10能相对于基座9左右转动，摄像头7用以观测敲击锤所敲击的地方，并将拍摄视频实时传输给操作人员，并呈现在遥控器屏幕上，以方便操作人员实时操作。
进一步的，该机器人还包括数据采集模块13和无线传输模块12，数据采集模块13是将采集的信号数据化并通过无线传输模块12实时将数据无线传输给操作人员，便于其判断检测处混凝土的浇筑情况。
进一步的，该机器人还包括遥控设备，遥控设备主要实现两大功能，一是实现机器人的爬行功能，包括：前进，倒退，以及左右转向；二是实现检测机器人的控制，包括：遥控敲击锤机械臂2和麦克风机械臂4在竖直平面内自由转动，以及控制转垛8的旋转，以实现所述机械臂在水平方向的旋转。
本发明还提出一种使用机器人检测钢管混凝土浇筑质量的方法，该方法包括如下步骤：
1)运用人工敲击听音法或红外热成像技术对待检测的钢管混凝土整体结构进行快速检测，初步确定可能发生局部脱空损伤的区域；
2)在该局部脱空损伤的区域划分等间距的10×10测点网格，在每一个网格敲击点处使用敲击锤1敲击，局部脱空损伤处的钢壳在敲击锤1激励下产生振动；
3)通过麦克风3拾取敲击点上空的声压信号，对从敲击锤1采集的力信号与敲击点上空采集的声压响应信号进行快速傅里叶变换(fastfouriertransformation,fft)，求得声压响应与力的频域信号，对信号进行频域平均，目的是为了减少随机噪声信号对测试信号产生的干扰；计算信号的功率谱与相干函数，并进行频响函数估计，分别计算声压响应信号的自功率谱gpp、激励信号的自功率谱gff与声压响应信号和力信号的互功率谱gpf及其相干函数，推导可得每个敲击点的频率响应函数曲线，提取一阶峰值频率和声压模态柔度，以声压模态柔度的数值矩阵作为损伤指标作敲击点网格的损伤云图；
4)根据损伤云图识别脱空损伤区域的面积大小与形状；
5)通过板壳振动的频域特征模型进行验证与校核，确定损伤的具体位置后，对损伤区域进行钻孔灌浆加固处理。
实施例：
运用人工敲击听音法或红外热成像技术对待检测的钢管混凝土整体结构进行快速检测，初步确定可能发生局部脱空损伤的区域；
如图7所示，在可能发生局部脱空损伤的区域的钢壳表面划分成10×10，间距为25mm的网格，将麦克风依次置于各列网格交点的上空50mm处；
依次敲击各行各列的每个网格交点，每敲击一点，拾取该点正上空的麦克风声压信号，与敲击锤的力信号作频率响应函数，通过cmif方法，提取其频率响应的第一个明显的频率峰值，求该阶频率处的模态柔度声压形式，对于上述网格，求得各点的模态柔度值如表1所示。
表1各网格点的声压模态柔度(单位：pa/n)
表1中第3-8行，3-8列的网格数据点为损伤区域内的测点，从数据中可以看出，在局部脱空损伤区域外的声压模态柔度绝大部分介于0-0.3pa/n之间，脱空损伤区域内的测点声压模态柔度绝大部分介于1-5pa/n之间，将上表数据制成损伤云图，如图8所示。
图8中虚线框以内区域为脱空损伤区域，由此可以看出，通过麦克风冲击共振测试测量一定面积大小的脱空损伤区域时，可以识别出损伤的具体位置与大致形状，测点布置得越密，则损伤区域判断的精度越高。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。