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。
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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。
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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。
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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。
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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,
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图5 机器人草云图
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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。
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图7 长草地仿真设置画面
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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。
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