摘要:为了保证地空两用农业信息采集机器人在农田中行走时具有良好的稳定性和较强的环境适应性，建立了轮胎-土壤力学模型，针对其静止和行走两种状态添加了不同的载荷，并利用有限元仿真分析原理对不同载荷下的模型进行了求解，分别得到轮胎和土壤的应力、位移和应变的值。建立了行走机构前悬架模型，并对模型施加了一个正弦激励，对其轮胎定位参数进行了动力学仿真分析，得到了各轮胎定位参数的变化量。结果表明:采用双横臂独立式悬架结构，不但提高了机器人的环境适应性，使其行走时轮胎不会陷入土壤中，而且遇到冲击载荷时保证了机器人的轮胎定位参数在合理范围内，使其具备良好的行走稳定性，为地空两用机器人的研究提供可靠的依据。
关键词:机器人;农业信息;行走机构;有限元分析;动力学分析
0引言
地空两用农业信息采集机器人作为一种新型农业信息采集装备，同时具备飞行、行走两种运动方式。行走机构作为整个机器人硬件结构的基础，既要实现机器人的行走功能，又要对飞行机构起到支撑定位的作用进而保证机器人在地形较为复杂的农田中起飞、降落的平稳。行走机构性能的优劣直接影响了机器人采集信息的能力。机器人行走的稳定性和环境适应性是考察其行走性能的重要指标。
目前，针对行走性能的分析问题，主要借助于计算机仿真分析技术。西北农林科技大学的薛雪利用有限元分析的原理建立了轮胎与土壤接触的三维有限元模型，对轮胎变形量和土壤下陷量进行了研究，为车辆性能改进提供了可靠依据[1]。
西北农林科技大学的伦佳琪利用轮胎-土壤的有限元模型，对不同工况下二者接触区域的变化进行了研究，得到了胎压与载荷的关系[2]。南昌大学的黄杰文利用柔性多体动力学仿真原理对双横臂悬架仿真模型进行了分析，验证了仿真模型的动特性与样车悬架动特性的一致性[3]。
广东工业大学的王行利用机械系统动力学仿真技术对方程式赛车的轮胎定位参数进行了研究，使前悬架的运动特性得到有效的提升[4]。地空两用农业信息采集机器人的工作环境是在地形较为复杂的农田中，因此在行走时极易受到沟壑引起的冲击载荷。冲击载荷会引起悬架结构的变形，轮胎定位参数也随之变化，从而影响到机器人在农田中行走的稳定性。
机器人具备行走和飞行两种运动方式，同时还要搭载信息采集系统，因此机器人本体质量比较大。又由于农田土壤土质较为松软，轮胎极易陷入土壤中，进而使机器人的环境适应性降低。针对以上两个对机器人行走性能产生负面影响的因素，建立了轮胎-土壤力学模型及机器人前悬架动力学仿真分析模型，并分别进行了有限元仿真分析和动力学仿真分析。
1机器人整体结构
地空两用农业信息采集机器人主要包括行走机构、飞行机构、计算机控制系统及信息采集系统4个部分。
2轮胎-土壤相互作用有限元仿真分析
2.1轮胎-土壤力学模型建立及参数确定
2.2轮胎-土壤相互作用有限元分析
打开SolidWorks/Simulation插件，建立新算例。添加约束时，在土壤模型底面和轮胎模型轮毂处添加固定铰链约束。采用实体网格划分，为了使仿真分析精度提高，选择高品质网格。由于轮胎与土壤接触部位容易产生较大应力设置较大密度网格，其余部分设置较小密度网格，这样不但可以提高仿真分析精度，而且可以控制计算规模，减少仿真分析时间。机器人在农田中工作时，如果机器人轮胎对土壤的载荷超过土壤的屈服强度，易使轮胎陷入土壤中无法进行正常工作，因此选择土壤的屈服强度10MPa作为有限元分析边界条件。
2.2.1静止时轮胎-土壤相互作用有限元分析
静止状态下，由于机器人本体质量。机器人同时具备飞行、行走两种运动方式，本体质量较大，因此静止状态下轮胎向土壤施加的压力确定为40N。利用Simulation插件对模型进行有限元分析，应力的主要分布区域为轮胎与土壤接触的区域，最大的应力为0.054MPa。轮胎位移和土壤位移都集中在两者接触的区域，并随着离接触区的距离增大逐渐减小，最大位移为5.12mm。
2.2.2行进过程中轮胎-土壤相互作用有限元分析
行进瞬时状态下，由输出轴给轮胎的转矩、轮胎向土壤施加载。机器人在农田中行走时需要克服较大的地面阻力，因此轮胎向土壤施加的转矩确定为25N/m。利用Simulation插件对模型进行有限元分析，其应力分布、位移分布情况可以看出:轮胎前进方向一侧土壤应力较大，最大的应力为1.12MPa;轮胎前进方向一侧土壤位移较大，最大位移为10.63mm。
2.3有限元仿真结果分析
通过以上有限元仿真分析，可以得到不同载荷下轮胎-土壤相互作用的应力、位移值。通过比较机器人静止、行进时的应力值及位移值，可以看出:当重力为40N、扭矩为25N/m时，土壤应力值最大为1.12MPa，小于土壤的屈服强度10MPa。因此，轮胎不会陷入土壤中，使机器人具有较高的环境适应性。
3样机行走试验
为了保证行走机构搭载飞行机构和各种传感器后，依然可以具备良好的行走性能和跨越沟壑的能力，进行了智能温室田间行走能力测试。结果表明:负载后的行走机构依然具有良好的行走性能，可以满足整机实现田间行走的所有功能要求。
4结论
1)通过对轮胎-土壤的相互作用力学模型进行有限元仿真分析可以看出:无论机器人处于静止状态，还是行走状态，其轮胎都不会陷入土壤中。
2)对机器人行走机构前悬架模型进行动力学仿真分析可以看出:在机器人受到不平路面引起的冲击载荷时，采用双横臂独立式悬架结构可以减小机器人行走机构的轮胎定位参数的变化，从而提高了机器人在农田中行走的稳定性。
参考文献:
[1]薛雪.车辆轮胎与土壤接触变形的有限元分析[D].杨凌:西北农林科技大学，2016.
[2]伦佳琪.基于轮胎沉陷量的轮胎与土壤接触试验及有限元分析[D].杨凌:西北农林科技大学，2016.
[3]黄杰文，黄菊花.利用ADAMS/car对双横臂悬架的动态仿真与分析[J].现代制造工程，2010(3):127-131.
[4]王行，阳林，彭仁杰.基于ADAMS的FSAE赛车前悬架优化设计[J].广东工业大学学报，2013(3):105-108.
[5]李军，邢俊文，覃文洁，等.ADAMS实例教程[M].北京:北京理工大学出版社，2002.
[6]陈锋华.ADAMS2012虚拟样机技术从入门到精通[M].北京:清华大学出版社，2013.
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