甘蔗作为主要的经济作物在世界范围内被广泛种植。由于适宜的气候条件和地理位置,广西是国内主要的甘蔗种植基地。在世界范围内已广泛采用的机械收割甘蔗方法因在广西丘陵地貌中无法自适应调节而破坏宿根,降低了甘蔗的再生率和保存期,导致收割质量下降,难以在丘陵地貌推广应用。而人工收割运动精准,收割质量高,但劳动强度大,成本高。因此有必要结合人工收割质量高的优势,捕捉并分析人体砍切甘蔗动作的仿生学运动特征并研究精准砍切甘蔗运动机理,为人体砍切甘蔗仿生学研究及基于仿生学的精细甘蔗收割智能机械的研制提供理论支持。本文根据人体砍蔗上肢动作的仿生学特征,提出一种基于可穿戴惯性传感器的人体运动捕捉技术,捕捉人体砍蔗动作的运动学和动力学特征,分析人体砍切甘蔗的运动参数对甘蔗根部表面质量的影响,建立关节转动角度变换模型、基于正向运动学的上肢砍切动作姿态模型及人体砍切甘蔗动作的能量模型。利用砍切甘蔗动作模拟实验分析切入角度、砍切速度及甘蔗直径对甘蔗损伤程度的影响,建立人体砍切运动学机理。最后利用机械收割验证实验指出人体砍切甘蔗运动优于机械收割运动的原因。本文主要结论如下:(1)利用基于惯性传感器的上肢动作捕捉系统,分别采集了上臂关节及手持刀具的角速度、角加速度及加速度等运动数据。人体砍切甘蔗运动数据表明产生剧烈加速度和角速度变化的时间节点是基本一致的。实验结果表明高的砍切线速度可提高砍切甘蔗后的根部表面质量。可通过惯性传感器的角速度值的大小、方向及持续时间来判断甘蔗是否被有效砍断。(2)利用人体砍蔗动作的运动学和动力学特征,建立了不同坐标系下的角度变换模型及基于正向运动学的上肢砍切动作姿态模型。通过骨骼与关节的空间位置信息的微分以及刚体动力学理论,建立简化为质点及结合刀具传感器的人体砍切甘蔗动作的能量模型对砍切过程中的能量进行计算,结果表明在实验者上扬手臂角度保持误差范围内恒定时,甘蔗的切割质量与切割甘蔗能量间并无明显的关系,无论砍切质量如何其砍切能量都稳定在27～28焦耳间。(3)根据砍切甘蔗动作模拟实验,改变切入角度、摆锤上扬角度、甘蔗直径,并根据甘蔗根部砍切损伤标准给出评定值。根据回归分析建立砍切甘蔗动作模拟实验的回归方程,发现切入角度及摆锤上摆角度对甘蔗的损伤程度影响显著。切入角度越小,砍切质量越好。用摆锤模拟甘蔗砍切动作过程中,砍切速度及甘蔗直径均存在砍切质量最优值,此时甘蔗损伤最小。切入角度对甘蔗损伤程度的影响大于甘蔗直径对甘蔗损伤程度的影响。(4)当刀具接触甘蔗瞬间能量相同时,保持其他实验条件不变,机械切割验证实验得到的甘蔗切断后根部均出现劈裂,损伤值为1。实验验证说明了通过能量极值消耗的方式切割甘蔗切割质量好于恒定能量切割方式切割甘蔗的切割质量。