随着计算机与控制技术的快速发展,果蔬采摘机器人应用已经取得了较好的成果,标志着果蔬采摘向着机械化和智能化发展。但是,农业生产环境很复杂,受到气流运动、环境温度及作物生长状况等影响,具有非线性、强耦合、易时变、多扰动等特征,果蔬采摘机器人的研究仍然存在以下难题,一是扰动使得视觉定位产生了大的随机定位误差,末端构型不能容错;二是夹切机构对果蔬损伤较大且通用性差;三是环境与视觉定位的不确定性影响机器人作业时的行为控制。本文以荔枝为对象,提出一种融合视觉定位误差的有限通用夹切机构容错设计,并对扰动环境下采摘机器人的动态避障行为容错进行研究,实现高效无损采摘,为采摘机器人的产业化奠定基础。主要研究内容与工作如下:(1)分析了视觉定位误差与末端机构尺寸的空间关系及容错性能。提出动态目标的定位误差测量与分析方法,依据误差变化规律将动态定位误差划分为系统误差与随机误差;使用统计学方法进行定量分析,确定视觉系统的定位能力,通过室内与室外环境下的定位试验得到视觉深度方向、水平方向最大动态定位误差分别为60.1和17.3 mm。根据视觉定位误差变化规律,提出了新的机构容错设计方法;将定位误差的影响看作是相对其实际位置延伸的空间椭球体,大小由不确定度决定;确定了末端执行器的采摘裕度,给出了夹指与刀具的设计模型。从考虑误差关联性和分布特点的角度出发,利用机构和控制方法联合补偿定位误差并对误差进行容错,使夹切机构能在该误差范围内作业。(2)研究了容错夹持机构设计及受力分析,并提出无损采摘和有限通用的收获方法。提出使用两个并行拟人夹指夹持荔枝结果母枝的方法;分析了夹持的力封闭性,建立了扰动条件下的母枝夹持模型,导出了一种夹持力计算方法;用压力机对结果母枝进行了夹持试验,建立了夹持力、母枝直径等与抓举重力间的关系,给出了定量描述;进行了夹持损伤研究。该夹指结构能适合不同直径母枝的稳定夹持,对母枝损伤小;所建立的回归方程有效,夹指在外力扰动情况下可以实现稳定夹持;野外环境下使用15 N夹持力采摘荔枝果串,夹持成功率为100%。(3)研究了与夹指协同容错的切割机构,使用显示动力学有限元方法优化刀具参数。针对传统果、枝分离切割机构复杂、体积庞大的问题,设计了微切刃偏心刀具机构;分析了刀刃旋变切割的非线性运动规律、微切原理和变切数学模型,并将切割作用简化为刀刃对一端固定、一端由弹簧支撑压杆施加干扰的弹性力学模型,提出了计算切割力的理论公式;使用完全的Lagrangian格式、中心差分的显式时间积分算法模拟切割过程,通过正交试验确定切割厚度为1.5 mm、滑切角为30°、回转速度为600rpm时刀刃的峰值切割力较小,耐用度好。(4)采摘机器人的动态避障行为容错。针对自然环境中障碍物的复杂性和随机性,在给定目标和障碍物特点、位置等信息的条件下,进行机器人全局避障和局部动态避障算法研究。在考虑障碍物定位误差和机器人实际几何尺寸的基础上,使用容错方法进行环境建模,利用改进的伪距离法计算采摘机器人的C-空间障碍;改进了A*搜索算法,提高了避障路径规划效率;提出了针对随机动态障碍物避障的容错策略,通过仿真试验验证了该避障机制的有效性和实用性。