机器人全地形EDEM仿真专栏04｜沼泽地形行走

沼泽是双足机器人野外作业的核心恶劣工况：高含水率软土塑性变形强、土体黏附力大，机器人行走极易持续沉陷、腿部阻力骤增，实地原型试验成本高、环境不可控、数据难以量化。本节则基于沼泽路面相关力学特性以及离散元仿真研究，来进一步开展机器人与造泽路面交互的相关模拟。

一、造泽理论

1、沼泽路面的核心力学特性

沼泽路面属于弱土 / 粘性 - 摩擦性土壤，核心特征为：

• 承载能力低（锥指数 CI＜300 kPa），易产生大塑性变形和车辙；

• 抗剪强度由内摩擦角（φ）和粘聚力（c）共同决定，水分含量高时内摩擦角降低、粘聚力略增；

• 变形以剪切破坏为主，而非压实。

2、沼泽路面的数值建模方法

采用离散元法（DEM）+ 伪Pseudo颗粒模型模拟沼泽土，关键设计：

• 颗粒参数：通过调整颗粒间表面摩擦系数（μₜ）、粘聚力（cₚ）和滚动阻力系数（μᵣ），复现沼泽土的宏观力学特性；

• 接触模型：结合赫兹 - 明德林接触定律（模拟弹性 - 粘性接触）和库仑摩擦定律，加入滚动阻力等效颗粒棱角效应，避免复杂颗粒形状导致的计算冗余；

• 验证方式：通过三轴试验（测内摩擦角、粘聚力）和静力触探试验（测锥指数 CI）校准模型，确保与真实沼泽土力学响应一致。

3、土体标定前置试验（仿真可靠性基础）

正式行走仿真前，在 EDEM 内完成两组土工虚拟试验，校准沼泽颗粒全套参数：

3.1、三轴压缩仪仿真
设置 4 组梯度围压加载，对比模型的轴向应力曲线，验证耦合模型下土体易压缩、承载力低的沼泽特征。

图1EDEM中三轴压缩设置

3.2、锥式贯入仪仿真
按土工标准匀速下压锥形探头，计算锥入度指数 CI，完成颗粒密度、表面能、摩擦系数全套参数标定。

图2锥式贯入仪仿真试验

二、土壤路面仿真分析

EEPA + Hydrodynamic Lubrication 土壤模型组合：EEPA负责固体颗粒实际接触时的塑性、黏附、历史依赖；Hydrodynamic Lubrication 负责接近/分离阶段的流体黏性阻力。 两者叠加后，能较好再现饱和黏性土/稠密湿颗粒的混合流变行为（塑性 + 黏性 + 速率依赖）。

图3EEPA仿真结果

图4 机器人沼泽地行走

三、沼泽路面 EDEM 仿真完整搭建步骤

沼泽颗粒材料参数配置——沼泽路面颗粒工厂生成——多工况梯度仿真场景设计——联合仿真与求解设置

四、仿真结果分析

以重度沼泽工况为例，完整还原机器人行走交互全过程：

1.土体变形演化：下陷 + 空洞回填全过程复现
是仿真6的仿真过程，展示方式为slice，Slice depth为60mm，距离中心的距离为90mm。机器人在沼泽地形行走时，由于沼泽介质具有高压缩特性，机器人本体将逐渐陷入沼泽内部。当机器人腿部陷入沼泽后，腿部会受到显著的运动阻力；同时，机器人行进轨迹处会形成暂时性的沼泽空洞。受沼泽介质流动特性影响，该空洞会随时间缓慢回填。

图5 机器人腿与造泽地的交互过程

2.腿部阻力量化：阻力脉冲式波动，峰值达470N
在 0～7 s 内，随着机器人腿部逐渐陷入沼泽，其所受水平阻力呈脉冲式变化，且阻力峰值逐步增大，最大值约为 470 N。脉冲波谷处阻力较小，主要是由于腿部前方形成沼泽空洞，使得机器人抬腿向前行进时未受到显著阻力作用。

图6机器人腿在造泽地行走时受到的水平阻力

3.沉陷规律量化
阻力突变直接反映两大工程痛点：①抬腿阶段泥浆粘附足部带来拖拽阻力；②落地瞬间土体挤压产生巨大行进阻力，是机器人步态失稳、电机过载的核心诱因。

随着持续行走，机器人下肢逐步沉入沼泽土体，沉陷深度随行走步数持续增加；静止停放时机体也会缓慢沉降，可直接预判机器人倾覆、卡死风险。

五、EDEM 离散元仿真为企业带来核心业务价值

1. 降本增效，省去海量野外实地测试

沼泽场地搭建、样机实地测试成本高昂，且泥泞环境易造成机器人电机、传感器进水损坏；EDEM 数字化仿真可在电脑内完成多泥泞等级工况测试，大幅减少样机迭代次数，降低硬件损耗与场地试验经费。

2. 数据量化，精准指导机器人结构与算法优化

仿真输出阻力峰值、沉陷深度、土体空洞范围量化数据，直接落地两大优化方向：

•结构优化：加宽足部接地面积、腿部增加防泥粘附涂层、强化膝关节扭矩储备；

•步态优化：基于阻力脉冲曲线调整摆动相 / 支撑相周期，减小足部滑移与土体挤压阻力。

3. 全工况覆盖，提前规避野外作业失效风险

仿真可提前预判三大故障风险：腿部卡死深陷、行走阻力过载电机报警、泥浆堆积遮挡机身传感器；在研发早期完成结构、控制方案迭代，避免产品落地后出现野外可靠性缺陷。

4. 标准化仿真方案，适配多型号足式机器人

本次仿真流程、土体标定方法、双接触模型耦合参数可复用至四足机器狗、其他人形双足机器人，形成企业标准化软土仿真技术库，快速支撑多机型全地形研发。

结语

本系列EDEM机器人全地形仿真的四大场景内容已连载完毕，更多行业仿真方案可联系我们获取！