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机器人全地形EDEM仿真专栏04|沼泽地形行走

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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!

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