在果蔬生产中,对新鲜果蔬的收获是最耗时、最费力、占用劳动力最多的一个环节,研究开发柑橘采摘机器人,实现柑橘果实收获的自动化和智能化,对于解放生产力、提高劳动生产效率、降低生产成本等具有重要意义。采摘机器人的末端执行器直接负责对果蔬的采摘操作,对果蔬的成功收获起着关键的作用,是采摘机器人能否成功完成采摘任务的一个关键部件,被认为是农业采摘机器人的核心技术之一。因此,开展适用于果园自然环境的末端执行器及柑橘采摘机器人系统的相关研究,对提高采摘机器人精确采摘的能力、实现柑橘采摘自动化和智能化具有非常重要的理论意义和实用价值。本文根据机器人在果园自然环境收获柑橘的实际,建立了果园自然环境柑橘果柄采摘剪切模型,揭示了模型的各参数对剪切效果的影响规律,提出了基于仿生学原理的咬合式采摘的方法,应用仿生学原理模仿蛇的咬合动作设计了咬合式末端执行器,提出了应用咬合式末端执行器进行采摘的最佳采摘姿态的判断函数,并结合末端执行器的具体参数解出了最佳采摘姿态的值,根据实验结果对末端执行器进行了优化,开发了集成咬合式末端执行器的柑橘采摘机器人系统及控制方法,在果园自然环境中进行了实验验证,基本实现了采摘机器人在果园自然环境对柑橘果实的采摘。具体研究内容如下:(1)建立了果园自然环境柑橘果柄采摘剪切模型并研究了各参数的影响规律。结合果园自然环境下柑橘果树的生长实际,提出了机器人收获柑橘的基本方案,据此分析了影响柑橘果柄剪切效果的因素,定义了描述柑橘果柄空间方位的采摘坐标系和相关角度并统计了柑橘的生长情况。在此基础上建立了柑橘果柄剪切模型,并确定了影响剪切效果的6个参数。选择单因素试验方法,建立试验测试平台并逐一测定各参数对剪切效果的影响,揭示了各参数对剪切成功率和剪断果柄所需的峰值剪切力的影响规律,归纳了采摘机器人能够剪切的最大果柄范围模型,有超过96%的柑橘果柄处于机器人能够剪切的范围之内。(2)基于仿生学原理设计了仿蛇嘴的咬合式末端执行器并求出了最佳采摘姿态。根据机器人收获柑橘的基本方案和果柄剪切模型,提出了基于仿生学原理的咬合式采摘的方法。根据蛇的咬合动作,基于仿生学原理设计了咬合式末端执行器并制作了样件。提出了末端执行器最佳采摘姿态的判定函数,并结合末端执行器的具体参数和柑橘的生长分布情况,解出了最佳采摘姿态。在实验室环境下对咬合式末端执行器及最佳采摘姿态进行了实验验证,实验结果表明,咬合式末端执行器对柄偏角有较好的适应性,采用计算出的最佳采摘姿态能够较好的包容不同果柄倾角的果实,但还存在一些参数需要优化。(3)根据实验结果优化了末端执行器。根据实验过程中发现的末端执行器的不足,明确了优化目标和约束条件并进行了优化。制作了优化后的咬合式末端执行器样件,在实验室环境下对末端执行器进行了不同果柄偏角、不同果柄倾角以及采摘动作规划成功率的实验,结果表明,优化后的咬合式末端执行器,对果柄偏角、果柄倾角均有较好的适应性,采摘路径规划成功率提升了20%,达到95.5%。归纳了采摘机器人集成咬合式末端执行器能够采摘的最大果柄范围模型,能够在果园自然环境下剪切大约90%的果柄。(4)开发了集成咬合式末端执行器的柑橘采摘机器人系统及控制方法。根据采摘机器人的作业需求,将咬合式末端执行器及其他模块集成入柑橘采摘机器人系统并制作了样机。对集成了咬合式末端执行器的采摘机械臂正逆运动学进行了分析,集成咬合式末端执行器的机械臂以固定姿态采摘时最多可以有8组逆运动学解;对机械臂关节空间轨迹进行了规划,选择五次多项式进行插值来减少磨损和保证运动轨迹精度;对机械臂与双目相机进行手眼标定,实现视觉模块和机械臂的坐标转换。提出了“能耗最小”原则及其判定函数来选择单个果实采摘时机械臂逆运动学解,并基于“能耗最小”原则提出了“双智能优化算法”用于确定多个果实的采摘序列和采摘各果实时机械臂的逆运动学解,确定了果园自然环境下采摘多个果实的完整控制流程。在实验室环境和果园自然环境分别进行了实验验证,基于“能耗最小”原则的控制方法能够有效降低采摘能耗和时间,果园自然环境下柑橘采摘机器人的采摘总体成功率为80%,基本能够满足果园自然环境柑橘采摘的要求。