目前,由于果蔬采摘作业的复杂性,采摘自动化程度仍然很低。国内果蔬采摘作业基本上还是靠手工完成。进入21世纪,世界各国均面临老龄化问题,劳动力不仅成本高,而且还不容易得到。因此,发展机械化收获技术,研究开发果蔬采摘机器人,具有重要的意义。国内外对于果蔬采摘机器人仍处于研究开发试验阶段,其实用化、商品化的进程仍很艰巨,主要原因之一就是机器人具体的结构设计与分析存在不足。为此,本文在国家863项目的支持下,进行了苹果采摘机器人机械手的结构设计与分析,提出了一种五自由度串联关节型苹果采摘机械手,开发了几种末端执行器结构形式,并通过试验确定了最佳结构方案。从仿真和试验的结果来看,机械手和末端执行器具有良好的采摘性能。具体研究内容如下:首先,分析了国内外果蔬采摘机器人的研究现状,针对现有主要机型结构设计上存在的不足,提出了采摘机械手结构设计的基本原则,在此基础上,通过对苹果园的调研,分析了机器人采摘苹果的具体特点,提出了一种五自由度串联关节型苹果采摘机械手。基于作业空间,利用CAD技术对本苹果采摘机械手的结构参数进行了分析,随后建立了优化模型,利用MATLAB编程得到了机械手结构参数的优化解。从实用化角度考虑,提出了机器人整体的结构方案和控制方案,具体设计了机械手的腰部升降平台、关节型机械臂和末端执行器的结构。其次,采用笛卡尔坐标系,通过D-H齐次坐标变换建立了机械手的运动学模型,并对正运动学及逆运动学分别进行了求解。利用矢量积法求解了机械手的雅可比矩阵,建立了机械手关节速度与末端执行器速度的瞬时对应关系,同时利用广义逆矩阵对机械手速度和加速度反解进行了分析。由前面的具体结构设计出发,利用三维实体建模软件Pro/e建立机械手的实体样机模型,并导入仿真软件ADAMS中对其进行运动学仿真验证,使机械手整个运动过程直观化,仿真结果表明机械手的运动学方程解完全正确。利用拉格朗日方程法建立机械手动力学方程并进行了ADAMS动力学仿真分析,并以此为基础,为机械手各关节驱动电机以及减速器进行了参数型号的选择。再次,基于蒙特卡洛原理,通过MATLAB编程对本苹果采摘机器人机械手工作空间进行了数值解的描绘;用前述的CAD模拟方法结合机械手结构参数的优化解做出了工作空间的主剖面图。分析了机械手的奇异位形,利用ADAMS仿真出边界奇异位形和内部奇异位形。提出了本苹果采摘机械手的CAD反解模型,并以此为基础,结合ADAMS仿真,进行了三种采摘方式的轨迹规划仿真,即机械手分别沿直线、沿椭圆避障轨迹和沿以本机械手特有的、被命名为“Eyes-in-hand”轨迹抵达目标点。并根据ADAMS仿真数据分析了相应采摘方式的合理性,肯定了本苹果采摘机器人机械手对同一个目标果实的多路径采摘能力。最后,通过试验对先前设计的几种末端执行器采摘方案的机械结构进行了比较,最终确定了末端执行器的改进样机结构,其本体结构主要由夹持机构、切割机构,气动系统,传感控制系统四部分组成。在末端执行器的设计制造过程中,先由Pro/e做出三维图,再导出具体零件的工程图,在保证零件刚度和强度的要求下,非标零件的材料选用铝合金和工程塑料,由此尽量降低了样机的重量,其机械本体质量只有1.3kg。在实验室里进行了采摘苹果试验,试验证明该末端执行器采摘方案合理有效,其总体性能可满足机器人采摘苹果的要求。采摘一个苹果只需2.3秒,对于采摘其他球状果实具有一定的通用性。