重塑车轮：面向沙地移动的软体自适应轮形结构仿真辅助设计与性能研究

本文推荐一篇关于沙地机器人移动系统创新的研究，采用离散元法（DEM）与多体动力学（MBD）耦合仿真框架，设计了一种可变形软体轮结构。该轮具备充气自适应形态能力，可在凸轮与圆形构型间切换，显著提升机器人在干湿沙坡及障碍地形中的运动性能，为复杂颗粒地形下的机器人移动设计提供了高效可靠的仿真辅助方案。

　　

仿真辅助设计方法与软体自适应车轮的提出

针对颗粒地形特别是沙质环境对机器人移动提出的特殊挑战，研究团队开发了一套结合离散元法（DEM）与多体动力学（MBD）的协同仿真框架，用于模拟轮式机器人在不同干湿沙质条件下的运动行为。基于这一仿真手段，提出了一种新型软体形态自适应车轮设计，该车轮通过集成可充气的柔性单元，实现了从凸轮式构型到圆形构型的动态转换，从而显著增强了机器人在多变沙地中的移动性与适应性。

仿真框架构建与模型实现

该研究使用Altair EDEM 2024 和 MotionView/MotionSolve 2024 分别作为DEM与MBD仿真工具。DEM将沙土视为离散颗粒，通过接触模型模拟颗粒间及颗粒与设备间的碰撞、摩擦等相互作用；MBD则基于系统约束与相互作用力计算机器人运动响应。两者通过双向通讯实现耦合：MBD提供机体位置与速度，DEM反馈颗粒物料对机体的作用力。

为模拟软体结构的变形行为，研究采用了离散化柔性体表征方法，将软体分解为多个小刚体，通过弹簧阻尼系统和衬套连接，以近似实现大变形和非线性行为，在保证计算效率的同时捕捉轮-地交互的关键动力学特征。

沙土类型与设备材料参数

研究中选取三种具有不同含水量的沙土类型：非压缩干沙、非压缩粘性沙（湿沙）及压缩粘性沙（极湿沙或黏土）。各类型沙土在表面能、塑性比等参数上存在差异，以体现其压缩性与粘性特征。颗粒尺寸经放大至3 mm以降低计算成本，同时不影响颗粒群宏观力学行为。

设备材料方面，机器人刚性部件采用聚乳酸（PLA）材料，软体部分选用硅橡胶。设备与沙土的相互作用参数部分来自文献，部分基于仿真软件默认值设置，以保证仿真可行性与合理性。

软体车轮的设计与性能优化

研究共提出七种概念车轮设计，通过仿真评估其移动性能、适应性与制造可行性，最终选定一种兼具高性能与易制造特点的凸轮-充气复合式车轮方案。该车轮的主要参数包括轮径、轮厚、凸耳长度、凸耳厚度与凸耳间距，均通过参数化仿真进行优化。

结果表明，较薄的凸耳与较多的凸耳数量有助于提高移动效率；轮径与轮厚则需在保证机体离地间隙与整车稳定性之间取得平衡。最终设计方案采用八组凸耳、3 mm凸耳厚度，车轮可通过充放气实现形态切换，充气状态下凸耳更为突出，适用于障碍穿越；放气后则更接近圆轮，适于松软沙坡行驶。

集成机器人设计与仿真验证

整机设计以四轮独立驱动为基础，各轮由直流电机驱动，电机选型基于仿真预估的扭矩需求。车身结构围绕电机与电子设备进行轻量化布局，电池置于底盘中心以优化配重。整车重约2.5 kg，车轮自重135 g。

通过多组仿真实验，团队系统评估了机器人在不同沙土类型（干沙、湿沙、极湿沙）与不同地形（20°沙坡、带障碍平地）下的移动性能。性能指标包括静态沉陷量与总行进距离。结果显示：

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  在干沙斜坡上，放气状态下的凸轮构型表现更优，因接地面积大、不易打滑；
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  在湿沙与极湿沙中，充气状态下的圆轮构型因沉陷量小、有效轮径大，移动效率更高；
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  在障碍穿越场景中，充气状态均表现更佳，因其软体部分可变形贴合障碍，提供更强抓地力。

结论与展望

该研究成功将DEM-MBD耦合仿真应用于沙地移动机器人的设计与性能预测，提出并优化了一种软体形态自适应车轮，具备动态调整刚度与构形的能力。仿真结果表明该设计能有效应对多类沙地环境与障碍条件，体现出良好的地形适应性。

尽管如此，仿真仍存在一定局限性，如未能完全还原颗粒形状的非规则性、材料非线性及软体大变形的真实物理行为。此外，充气系统的实际实现仍面临耐久性、控制精度与能耗等工程挑战。未来工作需进一步通过实物原型与实验验证，推动该设计走向实际应用，并探索基于地形感应的实时刚度调控策略。