机器人全地形EDEM仿真专栏03｜草交互仿真

自主行走机器人在草地作业时，脚掌与土壤间存在间隙，高低不一的草茎会产生差异化行走阻力，极易引发机体晃动、动力匹配失衡等失稳故障，直接影响作业安全性与运行效率。针对复杂的草地工况，德颐姆依托EDEM离散元仿真技术，搭建精细化草地模型，量化分析草茎对行走机构的阻力载荷，提前预判失稳风险，为机器人结构与行走控制优化提供可靠数据支撑；该内容也能够为割草机、收割机等农作物-结构交互作用研究奠定基础。

一、作物标定

简述离散元法在农作物方向上的相关标定内容，为后续草标定模拟提供理论基础。

1.作物模型

对于作物的模型建立，重点关注与作物截面的形状，在离散元软件中，通过颗粒来近似模拟作物的截面形状。本文建立的草地模型如下图1所示。

图1 草离散元模型

2.标定实验

参数确定：固有参数（如泊松比、剪切模量、密度）通过实验直接测量；接触参数（如恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数）通过碰撞反弹等实验获取；粘结参数（如法向刚度、切向刚度、粘结半径、临界应力）通过三点弯曲和剪切试验进行标定。

图2草仿真标定模型设置

二、路面模型搭建

1.路面设置

草都是成长在土壤之上的。当草被机器人踩踏时，草会碰撞接触到土壤路面。为了提高计算机的计算效率，土壤路面通过几何刚体来进行替代，机器人与土壤路面的接触计算在ADAMS里面进行。通过调节颗粒工厂的位置，使得机器人的根部生长在土壤里面，如图3所示。

图3 草地仿真设置

2.路面调试

首先将开展1m x1m的草地路面模拟，包括评估单位面积里草模型数据，以及结构-草交互时候仿真结果的合理性分析。在1m×1m的范围内，使用Static factory生成3600颗草数量，观察发现，该区域的草密度比较稀薄，因此选择10000颗草的数量，如图4。

图4 草地模型的生成设置

3.草地仿真结果

当草地大小为1m*1m，草地颗粒数量为1万个，仿真时间为10s。仿真结果是5.89 小时。当草地大小为5m*2m，草地颗粒数量为10万个，仿真时间为4.26s。仿真结果是12.12小时，总内存为231G。

如图5~6所示：

机器人在3s-3.6s时与草地路面的交互颗粒受力云图，受力范围在0 - 0.1N，显示的方式是Slice，Slice的厚度为50mm，距离中心的距离为100mm；

在第3s时，机器人脚掌压在草上面，草被折弯，并且机器人脚掌与土壤之间保持有一定的间隙，机器人水平受到最大阻力为277N；

3.2s时，机器人开始迈腿，草叶会阻碍其抬腿，机器人受到水平阻力，直到最后机器人再次踩下压着草时，会受到来自于草的摩擦力，从而能够提供身体向前运动的驱动力，

图5 机器人草云图

图6 机器人足所受阻力

当草地大小为2m*1m，草地颗粒数量为559258万个，仿真时间为3.7433s。仿真结果是25.195小时，总内存为416G。

4.长草地仿真结果

本节仿真将使用更高的草，Ground Particle在最下面且只有一个，而以上全为Middle Particle有39个，草的总高度为400mm，草的总数量为20000个。根据以往的草仿真经历，草在机器人踩踏过后，出现草断裂的情况，明显不符合实际情况。于是通过提高接触模型bonding V2里的Normal strength以及Shear Strength，来提高草的断裂强度。仿真花费时长为17.04hours，消耗内存为219GB。

图7 长草地仿真设置画面

图8机器人足在3s - 4s时机器人受到水平阻力

如图8所示，为机器人在3s - 4s时机器人受到水平阻力，机器人脚掌压在草上面，草被折弯，并且机器人脚掌与土壤之间保持有一定的间隙，机器人水平受到的最大阻力为741N，其次草也会提供机器人向前走的摩擦力。在400mm的草地行驶下，机器人受到的最大阻力明显大于100mm的草地的277N。

5.仿真结果对比分析

· 100mm低矮草地：机器人行走最大水平阻力277N，行走稳定性更佳

· 400mm高草丛地：行走最大水平阻力741N，阻力大幅升高，是机器人失稳、耗能过载核心原因

· 草本双向力学作用：抬腿阶段产生阻力、落足阶段提供摩擦力，可为机器人行进提供驱动力

· 通过其仿真视频可以看到机器人行走在草地上面，有很明显的不符合正常现象的滑移情况发生，后续通过提高机器人足与草地的滚动摩擦系数到0.1解决了该问题。

三、EDEM仿真核心应用价值

无需实体样机试制，在设计阶段完成草地工况全流程模拟，直观输出颗粒受力云图、实时阻力数值两大关键结果：

1. 量化不同草高带来的阻力差值，精准定位机体失稳诱因；

2. 输出载荷数据指导行走机构结构轻量化、驱动动力匹配优化；

3. 依据阻力变化规律调整机器人步态控制策略，大幅提升复杂草地通行稳定性；

4. 提前排查滑移、草茎异常断裂等仿真缺陷，减少实体试验迭代成本。

结语

本次机器人 - 草地离散元交互仿真完整实现柔性草茎与行走机构动态耦合分析，有效解决草地行走失稳隐患。后续德颐姆将推出沼泽路面机器人地形仿真案例，持续分享 EDEM机器人仿真解决方案。