江西赣南地区,土地优良,特殊的土壤为种植脐橙提供了良好的环境条件。在政府的指导和赣南人民共同的努力下,赣州地区的脐橙产业已经具有产业规模。然而,目前脐橙采摘主要依赖人工作业,采摘效率低、采摘质量参差不齐;在现有的采摘机械手中,一方面,大多采用工业串联结构的机械臂,这种纯串联结构机械臂引起较大的累计误差和关节之间的惯性冲击,而且姿态不易调整,另一方面,机械手的采摘执行器功能单一、目标体被收集中质量容易再次受到影响。为更好促进脐橙采摘机械化的进程,解决脐橙采摘面临的问题,本文以脐橙为采摘对象,基于移动平台,研究了一种解耦的串、并混联结构的机械臂和一种仿人环抱与蛇吞咽式的脐橙采摘执行器,有利于减小脐橙采摘中的误差、提高采摘质量,主要研究的内容如下:(1)采摘机械臂和执行器方案设计与优选。通过分析采摘目标,确定了机械臂和执行器采摘脐橙所需要的自由度和运动副的类型,然后根据机械臂的自由度与运动类型,运用方位特征集理论,综合得到了符合要求的解耦的串并混联结构的拓扑结构构型,并对结构进行了方位特征集等特征的验证。另外,提出了三种脐橙采摘执行器的设计方案,本文最终采用了仿人环抱和蛇吞咽行为的设计方案完成对采摘执行器的设计。(2)D-H坐标的建立,机械臂正、逆解计算。选用了前置坐标系对机械臂进一步分析,然后设计了机械臂的参数,并依据参数的取值范围,给出了部分参数的初值,最后,基于机械臂为解耦混联结构,对机械臂串联、并联结构的正、逆解进行了计算,其中并联结构部分正解采用了改进的粒子群算法进行正解求解。(3)机械臂的参数优化,工作空间分析。根据脐橙树和脐橙的生物特性,确定了机械臂参数的运动范围,然后运用蒙特卡洛方法,分析了机械臂的运动空间,以实际工作空间与理想工作空间的比值为目标,分析了关键参数对机械臂工作空间的影响效果,得到了最后尺寸优化尺寸和后与未优化前后工作空间的对比结果。(4)确定脐橙采摘执行器的机构简图,执行器运动、静力和优化分析。概括了响尾蛇吞咽过程的运动变化,详细给出了将蛇吞咽和人环抱行为用于采摘执行器设计中的思路,得到了两种不同结构的仿生式采摘执行器机构简图。优选了其中一种仿生式的采摘执行器结构简图进行详细分析,对执行器环抱住脐橙和张开状态进行了受力分析,运用Matlab和Adams对执行器结构进行了运动学和优化设计分析,得到了最终结构优化尺寸。(5)机械手的建模与仿真分析。首先,完成了机械臂各关节的设计,然后根据结构尺寸,在Solidworks中完成机械臂和执行器的三维建模,在Adams完成了对机械手主要结构的仿真分析,验证了设计的机械手能够满足脐橙采摘要求。另外,根据执行器的结构,完成了执行器物理模型的样机和采摘试验,结果表明执行器可以环抱吞咽的方式完成对脐橙的采摘。