一种爬壁机器人电磁吸附力计算方法、装置、设备及介质

本发明涉及爬壁机器人，特别是涉及一种爬壁机器人电磁吸附力计算方法、装置、设备及介质。

背景技术：

1、井筒建设和服役时期，随着井筒深度的加深，安全事故发生的概率和危害也在不断提高，对于事故处理的难度和成本也不断加大。在井筒建设期，各种配套系统和设备都不完备，这就使分散在不同位置的监测设备监测的安全信息处于相对独立和封闭的状态，难以快速、统一地获得完整详实的数据，无法进行有效的提前干预和灾难预警。在井筒服役期，井筒特殊的建筑结构不适于由人工进行安全巡检，对于普遍应用于井下的监测设备和监测方法来说也难以直接安装和进行维护，这就使对于竖井这种长距离监测区间的各项安全信息无法准确和实时地采集，对于井壁出现的危险情况也不能及时发现和排除隐患。因此要实现井筒建设施工的安全和高效，井筒服役期间的日常安全巡检，关键在于提高井筒安全监测和信息采集的智能化和无人化，急需研究井筒智能安全监测技术及装备，替代目前主要依靠人工的巡检方式。

2、近年来，由煤矿安全监测和机器人技术相结合的矿用智能巡检机器人被广泛应用于井下安全检测领域。但是在立井井筒这一重要场景下的智能机器人应用方面还缺少有代表性的科研成果和成型产品，究其原因主要是井筒建筑结构对机器人载具的技术限制难以突破，而采用负压吸附方式的爬壁机器人，本身不能完全适应井筒井壁相对粗糙的表面条件，且负压吸附力产生过程中会造成较大的功率损失，这就需要一种更适合井筒现场条件的吸附技术作为负压吸附的补充，保证爬壁机器人的安全稳定，即采用电磁吸附方式。

3、目前采用电磁吸附方式的爬壁机器人普遍应用在平面导磁体机构上，不论是采用永磁吸附方式还是电磁吸附方式，吸附力计算公式相对简单，在非平面导磁体电磁吸附力的计算方面缺乏深入的研究，并不适合在井筒的复杂环境。

技术实现思路

1、本发明提供了一种爬壁机器人电磁吸附力计算方法、装置、设备及介质，解决了目前采用电磁吸附方式的爬壁机器人普遍应用在平面导磁体机构上，其吸附力计算公式相对简单，在非平面导磁体电磁吸附力的计算方面缺乏深入的研究，并不适合在井筒的复杂环境问题。

2、本发明提供一种爬壁机器人电磁吸附力计算方法，所述爬壁机器人用于井筒的巡检，该方法包括以下步骤：

3、建立井筒内壁钢筋与爬壁机器人内部电磁铁之间的电磁吸附等效磁路模型，根据电磁吸附等效磁路模型建立磁路总磁阻、电流、绕组线圈的匝数以及磁通之间的关系，得到第一表达式；

4、在电磁吸附等效磁路模型中引入电感，建立绕组电压、电流与磁通、磁阻以及时间变化率之间关系，得到第二表达式；

5、基于磁场能量的电磁力计算方法，根据第一表达式和第二表达式获取爬壁机器人电磁吸附力。

6、优选的，建立井筒内壁钢筋与爬壁机器人内部电磁铁之间的电磁吸附等效磁路模型，包括以下步骤：

7、在钢筋外部施加一个电磁铁，得到磁路系统；

8、根据磁路系统中的元件的结构特点对整体磁路节点划分，得到多个磁路单元；

9、用各磁路单元的磁阻表示磁路节点的磁动势源，建立电磁吸附等效磁路模型。

10、优选的，所述第一表达式如下所示：

11、f＝ni＝(rt+2rud+ruw+2rg)φ＝rzφ

12、式中，f为总磁动势源，n为绕组线圈的匝数，i为系统电流，rt为钢筋材料的磁阻，rud为电磁铁两侧端部磁阻，ruw为电磁铁底部铁芯磁阻，rg为混凝土的间隙磁阻，ф为磁通，rz为总磁阻。

13、优选的，对电磁吸附等效磁路模型引入电感，建立绕组电压、电流与磁通、磁阻以及时间变化率之间关系，包括以下步骤：

14、在电磁吸附等效磁路模型引入电感，得到绕组的磁链和电流之间的关系；

15、根据上述关系和法拉第定律，得到第二表达式；

16、所述第二表达式如下所示：

17、

18、式中，u为系统电压，rr为绕组电阻，λ为绕组磁链，t为时间变量。

19、优选的，根据第一表达式和第二表达式获取爬壁机器人电磁吸附力之前，还需在电磁吸附等效磁路模型中引入边缘磁通，对第一表达式中的混凝土的间隙磁阻进行修正，得到第三表达式，包括以下步骤：

20、将间隙磁阻分为外拐角边缘磁阻、内拐角边缘磁阻、前边缘磁阻和后边缘磁阻；

21、根据磁压降公式获取外拐角边缘磁通磁场强度，根据磁通定义得到外拐角边缘磁通表达式；

22、将外拐角边缘磁通磁场强度和外拐角节点面积代入至外拐角边缘磁通表达式，得到外拐角边缘磁阻；

23、根据外拐角边缘磁阻，基于内拐角、前边缘、后边缘各节点的长度取值，得到内拐角边缘磁阻、前边缘磁阻、后边缘磁阻；

24、将间隙磁阻与外拐角边缘磁阻、内拐角边缘磁阻、前边缘磁阻和后边缘磁阻相加，得到新的间隙磁阻；

25、所述第三表达式如下所示：

26、rgz＝2(rg+rbw+rbn+2rbq)

27、式中，rgc为新的间隙磁阻，rbw为外拐角边缘磁阻，rbn为内拐角边缘磁阻，rbq为前边缘磁阻。

28、优选的，基于磁场能量的电磁力计算方法，根据第一表达式和第二表达式获取爬壁机器人电磁吸附力，包括以下步骤：

29、根据第二表达式得到系统电动势等于绕组磁链对时间的变化率，将绕组磁链对时间的变化率与系统电流相乘并进行积分，对得到电气能表达式；

30、对电磁吸附力引入距离变量后进行积分，得到机械能表达式；

31、将电气能表达式和机械能表达式相加，得到磁能表达式；

32、将磁能表达式进行求导，得到磁能微分的第一种表达式；

33、在单电阻支路中，根据磁动势源和磁链对所有支路的储能表达式进行表示；

34、基于第一表达式，得到与机械位移有关的支路的磁动势源，并结合所有支路的储能表达式，得到与机械位移有关的支路储能总和表达式；

35、对与机械位移有关的支路储能总和表达式进行求导以及变形，得到磁能微分的第二种表达式；

36、根据基尔霍夫定律，将磁能微分的第一种表达式和第二种表达式进行简化，并将第三表达式进行代入，得到电磁吸附力的表达式。

37、优选的，所述电磁吸附力的表达式如下所示：

38、

39、式中，fj为电磁吸附力，x为间隙可变距离量，b为支路，rb为支路磁阻，фb为支路磁通量，fb为支路磁动势源，bj为与机械位移有关支路磁通量集合。

40、一种爬壁机器人电磁吸附力计算装置，包括：

41、建立模块，用于建立井筒内壁钢筋与爬壁机器人内部电磁铁之间的电磁吸附等效磁路模型，根据电磁吸附等效磁路模型建立磁路总磁阻、电流、绕组线圈的匝数以及磁通之间的关系，得到第一表达式；

42、引入模块，用于在电磁吸附等效磁路模型中引入电感，建立绕组电压、电流与磁通、磁阻以及时间变化率之间关系，得到第二表达式；

43、计算模块，用于基于磁场能量的电磁力计算方法，根据第一表达式和第二表达式计算爬壁机器人电磁吸附力。一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的爬壁机器人电磁吸附力计算方法。

44、一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的爬壁机器人电磁吸附力计算方法。

45、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

46、本发明基于实际的场景构建井筒内壁钢筋与爬壁机器人内部电磁铁之间的电磁吸附等效磁路模型，并根据电磁吸附等效磁路模型建立磁路总磁阻、电流、绕组线圈的匝数以及磁通之间的关系，得到第一表达式；进一步在电磁吸附等效磁路模型中引入电感，建立绕组电压、电流与磁通、磁阻以及时间变化率之间关系，得到第二表达式。最终基于磁场能量的电磁力计算方法，根据第一表达式和第二表达式计算爬壁机器人电磁吸附力。本发明考虑了影响计算结果和产生计算误差的原因，得到了应用于井筒复合井壁结构的爬壁机器人电磁吸附力计算公式，计算结果准确，整体计算量不大，可以直接进行应用转化。

技术特征：

1.一种爬壁机器人电磁吸附力计算方法，其特征在于，所述爬壁机器人用于井筒的巡检，该方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种爬壁机器人电磁吸附力计算方法，其特征在于，建立井筒内壁钢筋与爬壁机器人内部电磁铁之间的电磁吸附等效磁路模型，包括以下步骤：

3.如权利要求2所述的一种爬壁机器人电磁吸附力计算方法，其特征在于，所述第一表达式如下所示：

4.如权利要求3所述的一种爬壁机器人电磁吸附力计算方法，其特征在于，对电磁吸附等效磁路模型引入电感，建立绕组电压、电流与磁通、磁阻以及时间变化率之间关系，包括以下步骤：

5.如权利要求4所述的一种爬壁机器人电磁吸附力计算方法，其特征在于，根据第一表达式和第二表达式获取爬壁机器人电磁吸附力之前，还需在电磁吸附等效磁路模型中引入边缘磁通，对第一表达式中的混凝土的间隙磁阻进行修正，得到第三表达式，包括以下步骤：

6.如权利要求5所述的一种爬壁机器人电磁吸附力计算方法，其特征在于，基于磁场能量的电磁力计算方法，根据第一表达式和第二表达式获取爬壁机器人电磁吸附力，包括以下步骤：

7.如权利要求6所述的一种爬壁机器人电磁吸附力计算方法，其特征在于，所述电磁吸附力的表达式如下所示：

8.一种爬壁机器人电磁吸附力计算装置，其特征在于，包括：

9.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述权利要求1-7任一所述的爬壁机器人电磁吸附力计算方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述权利要求1-7任一项所述的爬壁机器人电磁吸附力计算方法。

技术总结
本发明公开了一种爬壁机器人电磁吸附力计算方法、装置、设备及介质，涉及爬壁机器人技术领域，包括以下步骤：建立井筒内壁钢筋与爬壁机器人内部电磁铁之间的电磁吸附等效磁路模型，根据电磁吸附等效磁路模型建立磁路总磁阻、电流、绕组线圈的匝数以及磁通之间的关系，得到第一表达式；在电磁吸附等效磁路模型中引入电感，建立绕组电压、电流与磁通、磁阻以及时间变化率之间关系，得到第二表达式；基于磁场能量的电磁力计算方法，根据第一表达式和第二表达式计算爬壁机器人电磁吸附力。本发明考虑了影响计算结果和产生计算误差的原因，得到了应用于井筒复合井壁结构的爬壁机器人电磁吸附力计算公式，计算结果准确，可以直接进行应用转化。

技术研发人员：徐莹,武聪,李莉莎
受保护的技术使用者：辽宁工程技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5