在轴套式应力屏蔽边界条件下，尖端穿透抗力的研究：用于探测储存小麦的无量纲模型及机制修正模型

《Agriculture》：Tip Penetration Resistance Under a Coaxial-Sleeve Stress-Shielding Boundary: Dimensionless and Mechanism-Corrected Models for Probing Stored Wheat

　　

摘要

深度原位感测对于粮食储存安全至关重要，然而材料的穿透阻力限制了感测设备在深层粮食中的使用。这种能够自由伸展的生长型机器人通过伸出其末端来减少与粮食的摩擦，因此非常适合在粮食堆中实现低干扰的探测。然而，实际的伸展过程涉及软体结构的展开、颗粒的重新排列以及与粮食表面的接触，因此无法用传统的完全接触模型独立测量末端所受的阻力。本研究结合了尺寸分析、离散元仿真和同轴双套管等效穿透试验，建立了一个无量纲基准模型（DBM）和一个经过机制校正的穿透模型（MCPM）。双套管装置起到了等效刚性测试边界的作用，但它无法再现膜的伸展或软体结构的灵活变形。在稳定的穿透范围内（100–300毫米），测量得到的末端阻力仅为未受保护时DBM基准值的8.0–12.5%，该基准值是在不同边界条件下得到的模型相对估计值。在DBM中，几何指数为，而在MCPM中，该指数变为，这反映了根据三种保留的几何形状进行的经验校正。对于最低的长宽比（），预测结果不准确；建议将长宽比范围设定在1.2–1.6之间，但这只是一个初步的建议，还需要进一步验证。所提出的等效测试模型和校正模型为生长型机器人的末端载荷估算及探针优化提供了初步参考。