基于多物理场耦合优化的吸力式自主割草机器人结构设计与流体动力学分析

为解决传统割草机器人子系统孤立设计导致的性能瓶颈问题，研究人员通过集成结构有限元分析(FEA)、计算流体力学(CFD)与达西-韦斯巴赫(Darcy–Weisbach)模型、URDF框架的Webots仿真及Python参数化建模，开发出轻量化铝-丙烯酸骨架(减重15%且安全系数≥2.0)和S型吸尘管道(压降0.85kPa/湍流强度3.8%)，六轮构型较四轮提升18%牵引力但增加12%滚动阻力，为可持续农业机器人提供系统级优化范式。

　　

在精准农业和草坪管理领域，传统割草机器人长期面临"头痛医头"的设计困境——底盘结构、吸尘系统、能源管理各自为政，缺乏整体性能评估框架。更棘手的是，现有研究往往忽视流体力学与机械结构的耦合效应，导致吸尘效率低下或能耗激增。这种碎片化设计模式使得工程师不得不在重量、牵引力、吸尘性能和电池续航之间艰难取舍，严重制约了机器人的野外作业能力。

为破解这一系统性难题，研究人员开展了一项跨学科研究，成果发表于《Results in Engineering》。该研究首次将结构有限元分析(FEA)、计算流体力学(CFD)与经典流体理论、机器人操作系统(URDF)仿真、参数化能源模型四大技术模块有机整合，构建出完整的自主割草机器人设计-验证闭环。

关键技术路线包含：1) 基于ANSYS的铝6061-T6骨架FEA优化；2) 结合k-ω SST湍流模型与达西-韦斯巴赫方程的S型管道设计；3) Webots多轮构型地形适应性仿真；4) 考虑佩克特(Peukert)效应的Python电池模型。

【结构优化】通过对比钢制原型与铝-丙烯酸混合结构，FEA显示新设计在200N刀片载荷下最大冯米塞斯应力仅128MPa（低于6061-T6屈服强度276MPa），质量减轻15%的同时保持安全系数≥2.0。T型槽骨架与透明丙烯酸面板的组合既保证强度又便于维护巡检。

【流体动力学】CFD与理论计算双重验证表明，S型管道以两段90°平滑弯角实现最佳流场特性：入口速度29.5m/s确保碎草捕获，扩散段降至5m/s促进沉降。雷诺数Re≈99,860确认湍流状态，3.8%的湍流强度平衡了颗粒悬浮与能耗。

【移动性能】Webots仿真揭示六轮构型在50mm石块障碍下的动态响应：前驱动轮遇障时转速下降12%，后轮增速8%补偿牵引，被动中轮有效分担载荷。尽管滚动阻力增加12%，但牵引力提升18%且越障成功率高达90%。

【能源模型】佩克特修正(k=1.1)的电池分析显示，480W吸尘系统占整机功耗89%，导致六轮构型仅10.3分钟续航。参数化模型量化了草高(3cm→9cm使扭矩3倍增长)、刀片磨损(效率η_s降至0.5时功耗翻倍)、坡度(15°倾斜使牵引力达40.45N)对能耗的影响。

这项研究的意义在于建立了农业机器人多物理场协同设计的新标准：通过铝-丙烯酸复合结构实现轻量化突破，S型管道达成流体效能优化，六轮构型保障复杂地形通过性。特别值得关注的是，研究者将传统工程理论(如达西-韦斯巴赫方程)与先进仿真工具深度融合，为后续智能农业装备开发提供了可复用的技术框架。未来集成实时传感反馈与自适应吸尘控制，有望将8.8%的当前气动效率进一步提升，推动割草机器人从"修剪工具"向"生态循环节点"的转型升级。