除草用四足机器人稳定性的判定与分析

张皓然，戈振扬，于英杰，陈林，丁巍，卢衷正

(昆明理工大学现代农业工程学院，云南 昆明 650500)

除草机器人代替人工除草，能减轻劳动强度，减少化学除草剂的使用，减轻对环境的污染[1–3]。除草机器人多为轮式或履带式，四足机器人因其承载能力强、稳定性好、结构简单[4–5]而优于双足和六足机器人。四足机器人具有良好的抗干扰能力和较高的运动稳定性[6–7]，是保障其快速有效除草的关键，必须选择合理的参数来评价稳定性[8–9]。目前对四足仿生机器人运动稳定性的评判方法有重心投影法、零力矩点法、压力中心法、力–角稳定性度量法等，这些方法主要是针对单一的判据进行分析，使得评判的可靠性不高[10]，而在不规则环境中受到多因素影响的综合评价指标尚未见报道。笔者通过几何分析和公式推导，得出除草用四足机器人在不规则农田环境下行走时判定标准的计算方法，运用数值模拟研究地面倾角、外载荷及外力矩对机器人稳定性的影响，并进行了试验验证。

1 稳定性判定方法

对已有的稳定性判定方法进行综合分析，结合文献[12]和[13]的力–角稳定性度量法及稳定锥法，考虑模块化研究，各模块运用合适的判据进行权重分析，在此基础上提出了三棱锥法。在进行三棱锥法的推导时，作如下假设[11]。

1) 除草用四足机器人足底与地面为点接触，即在地面与足底之间仅有作用力，而没有作用力矩的传递。

2) 稳定性分析仅考虑机器人的倾翻平衡性，忽略足底与地面的相对滑动，即假设足底与地面间的摩擦力无穷大。……