《Agriculture》：A Review on the Configurations and Key Technologies of Wheel-Legged Agricultural Machinery Chassis
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随着现代农业向丘陵、水田、湿地等复杂非结构化环境拓展，传统轮式和履带式底盘在地形适应性、越障能力和土壤压实方面日益暴露出局限性。轮腿式农业底盘将高效的轮式机动性与灵活的腿部越障能力相结合，为平衡作业效率与地形适应性提供了新途径。本文系统总结了轮腿
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随着现代农业向丘陵、水田、湿地等复杂非结构化环境拓展，传统轮式和履带式底盘在地形适应性、越障能力和土壤压实方面日益暴露出局限性。轮腿式农业底盘将高效的轮式机动性与灵活的腿部越障能力相结合，为平衡作业效率与地形适应性提供了新途径。本文系统总结了轮腿式农业机械底盘的关键技术与最新进展。首先分析了传统移动平台的局限性，以及可变形车轮与仿生腿足机器人所提供的技术启示。随后从四个方面梳理现有研究：构型与轻量化设计、运动与姿态控制、越障性能，以及多传感器感知与自主导航。进一步考察了轮腿式底盘在丘陵耕作、设施农业、水田湿地及物料运输中的应用潜力与工程局限。由于地形适应性依赖于额外的关节、执行器、传感器和控制系统，机动性提升与结构复杂度、制造成本、能耗及长期田间可靠性之间存在根本性矛盾。未来研究应优先发展少自由度模块化结构、鲁棒自适应控制、整机能效管理、环境防护与长期田间测试，以在地形适应性与工程实用性之间取得平衡。
论文主体内容总结
2. 各类移动平台技术发展与轮腿构型比较
2.1 传统农业底盘技术回顾
2.1.1 轮式底盘的发展优势与固有局限
轮式底盘因结构简单、传动效率高、机动性好而在大面积平地耕作中占主导地位。但在丘陵山区等起伏地形下，其固定离地间隙和刚性悬架导致地形跟随能力显著下降。较高重心与固定支撑多边形使车辆在横坡行驶或过垄时易发生驱动轮滑转和侧翻。点线接触模式产生集中接地压力，不仅湿滑坡面牵引力难以保证，重载作业下的反复压实还会造成深层土壤板结，破坏土壤团聚体结构与农田可持续生产力。
2.1.2 履带式底盘的发展优势与局限
履带式底盘通过增大接地面积降低接地压力，在坡地与湿软地面上的牵引稳定性和抗侧翻能力优于轮式底盘，广泛用于大型联合收割机和丘陵拖拉机平台。但其自重较大、结构复杂，导致能耗高、传动效率低且易疲劳失效。差速滑移转向需较大转弯空间，高频剪切作用对表土结构和作物根系造成严重机械损伤。此外，传统履带底盘普遍缺乏主动姿态调节系统，在连续起伏或大坡度地形下车身只能被动倾斜，严重影响作业质量。
2.2 可变形车轮结构的技术特征
可变形车轮通过改变车轮形状（如展开成三角形或多边形）来提高通过性，可视为一种轮内变形形式。例如基于径向展开机构的可变形车轮，在轮式模式下形成完整沟槽轮体，在腿式模式下通过轴向驱动展开三个T形辐条作为支撑腿，实现轮式与腿式模式的快速切换。这类结构将腿高度简化并集成于轮缘，但一般缺乏独立驱动关节，灵活性低于具有独立驱动腿的系统。
2.3 仿生腿足机器人技术的启示
2.3.1 腿部机构与驱动技术
农业轮腿底盘的腿部机构可分为串联腿、并联腿和串并混联腿三类。串联腿工作空间大、仿生度高，适合轻载农业应用，但末端刚度低。并联腿通过多条运动链连接机身与足端，刚度和抗变形能力强，可实现主动车身调平并提供高稳定支撑。串并混联腿结合两者优势，兼顾大负载与灵活运动。驱动技术层面，电驱成本低、控制精度高，适用于中小型机器人在温室等狭小空间的精确步进；液驱功率密度高、扭矩大，是中大型重载机器人的首选方案，但成本高、控制逻辑复杂。
2.3.2 仿生步态与主动调平机构
与保持连续接地的轮式和履带系统不同，腿足机构可通过离散落足和支撑腿间载荷调节主动调整足端接触位置、压力和时长。四足步态主要受马、山羊等哺乳动物启发，在机动性、行进速度与机构复杂度间取得有效平衡，适用于果园巡检、垄畦穿行和软土作业。六足步态主要受蚂蚁、蟑螂等昆虫启发，静态稳定性极高，典型三脚步态至少有三条腿保持稳定支撑，特别适合在植被茂密的崎岖丘陵或湿地环境中确保操作平台绝对稳定并防止侧翻。
3. 轮腿式农业机械底盘核心技术现状分析
3.1 结构设计与优化
3.1.1 主流构型分类
现有构型可分为被动自适应型和主动驱动型。被动自适应型主要利用连杆、弹簧、柔性件或地形接触力触发结构变形，无需独立重构执行器，结构简单、能耗低，但不具备主动抬腿跨苗或精准调平能力。主动驱动型是目前的研究前沿，几乎所有农业轮腿底盘均采用全主动驱动以保证重载刚度和作业安全，分为轮腿分离式和轮毂集成式。轮腿分离式在传统轮系基础上增加独立腿部机构，可收腿高效巡航、伸腿跨越深沟田埂，但暴露关节在泥泞多秸秆的农田中易发生干涉和密封失效。轮毂集成式将驱动、传动甚至摆动机构高度集成于轮毂内部或附近，结构紧凑，但承载能力受限。
3.1.2 轻量化与强化结构设计
当前研究常采用高强度复合材料，并运用拓扑和形态优化算法减重并改善关键部件力学性能。同时针对农业环境的腐蚀、磨损和密封问题开展防护设计与材料表面处理技术研究。农业机械底盘需在保持越障能力的同时提供高结构刚度和重载农具承载能力，现有研究多聚焦于小型移动机器人，串并混联结构常见。对于数吨级农业装备，多关节装配间隙、传动回差和连杆弹性变形沿运动链累积会增大足端定位误差和车身姿态误差，因此低自由度可变形轮腿机构和模块化设计将是工程实用的关键突破方向。
3.2 复杂地形下的运动控制与越障性能
3.2.1 运动控制策略的演进
底层控制算法需使底盘根据实时感知的地形信息和具体作业自主选择并切换高速轮式巡航、腿式越障和主动车身调平等模式。模型预测控制（Model Predictive Control, MPC）能同时在有限预测时域内考虑关节运动、执行器输出和车身稳定性约束，在连续起伏地形上实时调整步幅、抬腿高度和步态周期。但标准MPC的控制性能依赖预测模型的准确性，农业作业中随时间变化的土壤参数（如含水率）会改变土壤刚度、轮壤附着力和滑转特性，若未及时更新预测模型则会导致状态预测误差增大。自适应和学习控制方法可利用轮速、轮足受力、车身姿态等反馈信息在线估计土壤参数变化并调整控制器或模型参数，更适用于土壤条件持续变化的农业环境，但其控制性能取决于参数估计的准确性和收敛速度。
3.2.2 离散障碍物越障运动规划
对于田埂、沟渠等离散障碍物，研究重点在于保护作物根系和土壤结构的越障运动规划。已有方法包括基于姿态优化与二次规划力控制的平衡控制方法、基于多模态运动基元的自主越障规划方法、以及基于深度强化学习的轮腿协调控制策略，后者无需建立精确地形物理模型即可使底盘自主习得极端路况下的鲁棒越障步态。
3.2.3 连续崎岖地形适应性
针对连续崎岖的丘陵坡地或收获后留茬地，系统可通过激光雷达或视觉进行实时地形感知、预览落足点规划，并采用主动柔顺控制策略使底盘结构顺应地面起伏，缓冲硬质地面冲击或在软土地面适当下沉以增大接地面积。已有研究开发了自适应模糊阻抗控制与能量最优位姿算法，显著抑制了软硬交替地面上底盘的俯仰波动。
3.2.4 能效与通过性的权衡
通过建立不同运动模式和步态的能耗模型并制定智能决策策略，可根据地形粗糙度和障碍密度动态选择最节能的行驶模式。例如，在障碍场景下基于MPC的跳跃策略相比连续爬行可显著降低单位距离能耗。为满足农业作业的长续航需求，可按地形起伏程度和车身姿态误差实施分级模式切换：车身倾角在允许范围内时锁定轮腿机构并使液压系统处于低压待机状态，仅当超限时才激活轮腿机构执行必要的高度调整，越障后立即返回轮式模式。
3.2.5 底盘与农具的集成耦合动力学
现有研究分别验证了轮腿平台搭载作业模块的功能配置能力和轮腿收割机底盘的姿态调整能力，但两者之间缺乏直接联系，尚未建立轮腿底盘挂载农具的耦合动力学分析框架。播种、施肥、喷药等作业中，农具质量及其质心变化、耕作阻力、农具升降冲击和工作部件振动可能改变轮腿支反力分布和车身姿态，影响牵引性能和作业质量，尤其在大坡度与软地面条件下农具扰动、地形激励与底盘姿态调整之间的耦合更为复杂。
3.3 感知与决策系统研究
3.3.1 地形感知与识别
系统目前融合了立体视觉、激光雷达、惯性测量单元以及力/力矩传感器等多种传感器信息。视觉和激光雷达协同构建三维点云地图并实时识别地面起伏、障碍物、沟渠和作物行分布等地形特征。惯性测量单元提供车身姿态和运动状态数据以辅助评估地形坡度和稳定性。接触传感器反馈轮足与地面的交互力，为实时调整接地状态和牵引性能提供依据。算法层面，深度学习和语义分割技术被用于对农田场景进行语义分类，并结合即时定位与地图构建实现非结构化农田环境中的实时定位与场景理解。
3.3.2 自主导航与作业路径规划
全局路径规划基于农田边界、作物生长状况和具体作业任务生成全局最优参考路径，局部路径规划则根据实时感知的地形和障碍信息进行重规划。对于田埂、石块等离散障碍，轮腿底盘的优势在于跨越而非绕行，运动规划需结合感知结果及其置信度共同确定抬腿高度、落足点和车身姿态。对于低置信度区域应扩大障碍物和作物的安全裕度并将其排除在候选落足点之外，当感知不确定性超过安全阈值时应减速、重复观测或绕行以避免继续高风险越障动作。
