高壓電線鐵塔的防腐工作是確保安全供電的重要維護(hù)工程。潮濕、高溫、高鹽氣候極易對(duì)鐵塔造成腐蝕，目前防腐蝕主要采用熱鍍鋅方式，由人工刷漆完成，但防腐壽命僅為3年左右，維護(hù)頻繁且工程量大。鐵塔防腐作業(yè)又屬于高空帶電作業(yè)，施工人員登桿作業(yè)頻繁，作業(yè)條件惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度大，造成施工人員精神緊張，容易引發(fā)安全事故。

2016年，中國南方電網(wǎng)撰寫的提升供電可靠性管理方案指出，大力推廣帶電作業(yè)優(yōu)化以及優(yōu)化帶電作業(yè)模式是電力系統(tǒng)維護(hù)發(fā)展的需求。目前，我國線路鐵塔防腐主要由人工完成，施工過程中涂漆質(zhì)量（厚度、均勻度）取決于施工人員的技術(shù)好壞和素質(zhì)高低。從以往實(shí)踐看，維護(hù)質(zhì)量因人而異，很難達(dá)到令人滿意的效果。

機(jī)器人噴涂已有近40年的發(fā)展歷史，美國的Minhit和Fudge公司以及德國Hate公司最早開始研究并生產(chǎn)噴漆機(jī)器人，這些噴涂機(jī)器人只能完成一些簡單的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，難以適用于復(fù)雜曲面及特殊條件下的噴涂。

近年來噴漆機(jī)器人的性能得到了很大的提高，著名的噴漆機(jī)器人生產(chǎn)企業(yè)如瑞典的ABB、日本的FANUC、MOTOMAN，均具有靈活、工作空間廣、效率高、易維護(hù)等特點(diǎn)。

• 1994年，John K. Antonio研究了膜厚累積度最小變化下的噴涂軌跡優(yōu)化問題。
• 2001年，Arikan等人開發(fā)了一種噴涂機(jī)器人離線編程系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在線控制涂層厚度。
• 2005年，Sheng等人進(jìn)一步提出了在復(fù)雜自由曲面上噴涂機(jī)器人噴槍路徑規(guī)劃方法，通過建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)來優(yōu)化噴涂機(jī)器人噴槍路徑模式及行走方向。

我國噴涂機(jī)器人起步較晚，1991年，北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所完成了我國第一條自動(dòng)噴涂生產(chǎn)線，開發(fā)了PJ系列電液體伺服噴涂和EP系列的電動(dòng)噴涂機(jī)器人。近幾年出現(xiàn)了校企合作產(chǎn)品南航PR. 1型噴漆機(jī)器人、啟帆工業(yè)機(jī)器人上海分公司STS-PT985等性能優(yōu)良的噴漆機(jī)器人。

• 梁安陽等人基于D-H坐標(biāo)系法對(duì)移動(dòng)噴漆機(jī)器人進(jìn)行了正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。
• 韓方元對(duì)并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解新算法及工作空間本體進(jìn)行了研究，提出了理想并聯(lián)機(jī)構(gòu)的概念和非理想并聯(lián)機(jī)構(gòu)節(jié)肢化分析方法、適用于并聯(lián)機(jī)構(gòu)位置正解的數(shù)值計(jì)算新方法——幾何迭代法。
• 王智興等人利用Matlab對(duì)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了分析與仿真。

本課題旨在基于目前先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計(jì)一種高壓線路鐵塔自動(dòng)噴涂系統(tǒng)代替人工完成防腐作業(yè)，以提高帶電作業(yè)的自動(dòng)化水平。

1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由機(jī)器視覺模塊、噴涂機(jī)器人模塊、帶電作業(yè)車模塊這三大模塊構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)和示意圖分別如圖1和圖2所示。帶電作業(yè)車的任務(wù)是遠(yuǎn)距離奔赴作業(yè)現(xiàn)場，將機(jī)器人送至指定高度位置；機(jī)器視覺模塊的功能是識(shí)別鐵塔類型并提供垂直水平坐標(biāo)幫助確定噴涂當(dāng)前位置；噴涂機(jī)器人采用六自由度機(jī)械臂，控制器的目的是規(guī)劃噴涂路徑，并據(jù)此完成噴涂任務(wù)。

圖1 噴涂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 噴涂系統(tǒng)示意圖

擬將噴涂系統(tǒng)安裝在絕緣斗臂車的載人絕緣斗上，由斗臂送至指定高度后開啟定位系統(tǒng)，根據(jù)噴涂位置及鐵塔參數(shù)規(guī)劃噴涂軌跡，開始噴涂；每噴涂完一單元，開啟噴涂質(zhì)量檢測系統(tǒng)，若噴涂質(zhì)量符合要求，則將斗臂移至下一噴涂單元作業(yè)；否則重噴質(zhì)量不合格部位。

2 主要模塊簡介（略）

2.1 鐵塔的矢量模型

將鐵塔從上至下依次完成噴涂動(dòng)作，噴涂的范圍分為若干單元，如圖3所示。將噴涂單元矢量化，其矢量圖如圖4所示。

圖3 噴涂單元

圖4 單元矢量圖

2.2 作業(yè)車控制子系統(tǒng)

絕緣斗臂車是帶電作業(yè)的基本裝備，常用的有履帶式斗臂車和輪式斗臂車兩種。作業(yè)車控制子系統(tǒng)是建立在經(jīng)過改造的斗臂車上。載機(jī)絕緣斗示意圖如圖5所示。絕緣斗設(shè)計(jì)圖如圖6所示。噴涂工藝示意圖如圖7所示。

作業(yè)車的主要任務(wù)是將斗臂送至指定高度，由角度傳感器獲取支桿角度，其控制示意圖如圖8所示。

圖5 載機(jī)絕緣斗示意圖

圖6 絕緣斗設(shè)計(jì)圖

圖7 噴涂工藝示意圖

圖8 支桿角度控制示意圖

2.3 機(jī)器臂運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

在機(jī)器臂升至指定高度后，起動(dòng)工業(yè)相機(jī)對(duì)鐵塔掃描采樣，將采樣圖像與數(shù)據(jù)庫的鐵塔圖像進(jìn)行對(duì)比，獲取鐵塔類型及幾何參數(shù)，從而確定噴頭在空間上相對(duì)位置在各坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，如圖9所示。

1）機(jī)器視覺子系統(tǒng)

視覺子系統(tǒng)的功能：①適時(shí)提供噴頭空間位置坐標(biāo)；②對(duì)噴涂質(zhì)量進(jìn)行檢測。

基于這兩項(xiàng)任務(wù)的工業(yè)相機(jī)，應(yīng)根據(jù)相機(jī)距離鐵塔的工作距離及鐵塔單側(cè)視野要求來選型。根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目要求，工作距離為900mm左右，最大的視場角（field of view, FOV）為1000mm，而傳感器的靶面尺寸約為8.8mm，要求的焦距約為8mm。M0824-MPW2工業(yè)鏡頭可以滿足要求。

圖9 噴頭位置示意圖及其坐標(biāo)的確定

2）噴涂運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

從上至下按單元順序噴涂，為使能量最省，對(duì)每一單元噴涂軌跡應(yīng)使噴頭總的運(yùn)動(dòng)距離最短，從幾何上講，最佳路徑就是“一筆畫”問題。其算法如圖12所示。

圖12 哈密頓最優(yōu)路徑搜索示意圖

單座鐵塔某面的噴涂軌跡如圖13所示。整個(gè)噴涂的工藝流程如圖14所示。

3 噴涂質(zhì)量檢測系統(tǒng)（略）

以往的噴涂工藝標(biāo)準(zhǔn)要求分1至3層噴涂，隨著鐵塔噴涂材料質(zhì)量的提高，高固樹脂與顏料、填充料研磨后，加入助劑、有機(jī)溶劑按混合比例1:1:1調(diào)配，加壓至4～6MPa，噴涂工藝只需要1層噴涂，即可滿足噴涂質(zhì)量的要求。由于鐵塔噴涂的目的是防腐，所以對(duì)噴漆顏色沒有具體要求。

本系統(tǒng)采用圖像處理的方法來檢測噴涂質(zhì)量，其思想是，預(yù)先建立噴涂質(zhì)量為好、中、差3級(jí)的圖像，將在線采樣圖像與數(shù)據(jù)庫中的圖像進(jìn)行比較，以此對(duì)比來判斷當(dāng)前噴涂質(zhì)量，對(duì)不合格的噴涂單元，檢測出噴涂不均勻的位置。

圖13 單座鐵塔某面的噴涂軌跡

圖14 整個(gè)噴涂的工藝流程

圖15 基于灰度值直方圖的圖像對(duì)比算法流程

結(jié)論

高壓鐵塔自動(dòng)噴涂系統(tǒng)主要包括載機(jī)斗臂車、斗臂升降裝置、帶雙攝像頭噴涂機(jī)器人等部分。本文介紹了鐵塔模型矢量模型建立、噴涂質(zhì)量等級(jí)圖像數(shù)據(jù)庫及各子系統(tǒng)應(yīng)具備的功能及完成功能實(shí)現(xiàn)的控制算法。基于現(xiàn)有噴涂工藝所設(shè)計(jì)的噴涂控制，較之人工噴涂效率大大提高，克服了噴涂質(zhì)量因人而異、工作人員免于處于有毒噴涂環(huán)境的缺點(diǎn)。

本文使用Matlab GUI界面編程軟件設(shè)計(jì)了鐵塔防腐的機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)軟件，并利用機(jī)器人仿真軟件RobotStudio建立了鐵塔防腐自動(dòng)化工作站，仿真完成了機(jī)器人應(yīng)用于鐵塔防腐的噴涂任務(wù)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可行性。

下一步需要完成的任務(wù)是：①進(jìn)行噴頭改造以滿足環(huán)境保護(hù)的要求；②進(jìn)行野外測試，以驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。