柑橘是西南地区大规模种植的农产品之一,其采摘目前主要以人工方式为主,存在劳动强度大、成本高等缺点。柑橘采摘机器人可有效减轻人工作业强度、降低生产成本,而末端执行器是采摘机器人的关键零部件,其设计是否合理直接影响到采摘时果实损伤率和采摘效果,因此,开展柑橘采摘机器人末端执行器的研究具有重要意义。论文依托重庆市重点产业共性关键技术创新专项,以课题组前期研制的咬合式末端执行器为对象,在果柄剪切特性研究的基础上对其进行了分析、优化与实验研究。论文主要研究工作包括:(1)果柄剪切特性研究。自制一款果柄剪切试验台,研究了果柄直径、剪切方式以及切割速度与峰值剪切阻抗力、剪切深度之间的关系,确定了剪切机构动力为气动、刀具选用单面直刃型、最小剪切深度为5.34mm。统计果柄水平偏角,确定执行器剪切机构需实现对果柄水平偏角-30°～30°内的剪切,分析果柄水平偏角与剪切阻抗力的关系,确定执行器剪切机构所受峰值剪切阻抗力为69.99N。(2)末端执行器剪切机构优化。从增设剪切机构绕定轴的旋转运动、扩大咬合张角为180°、增大传动角和优化剪切力等方面对咬合式执行器剪切机构进行了优化,对优化后末端执行器的复位运动、刀具角位移、刀具角速度和角加速度等进行理论分析,并通过仿真分析验证了设计的合理性。结果显示:优化后刀具的最大线加速度、线速度和剪切总用时分别为:9×104mm/s2、1260mm/s和0.52s。(3)末端执行器夹持机构设计。结合果柄剪切特性和果实表面的损伤分析,提出了采摘时采用夹持机构固定果实的思路。依据挤压试验数据、果径和果形确定了夹持机构设计参数;依据试验所得摩擦系数0.71确定了最小夹持力0.19N、极限挤压力102.41N;根据夹持机构复位与夹持过程的运动搭建了控制回路。试验结果表明:所研制的夹持机构样机可实现对果实的无损夹持且夹持效果良好。(4)在实验室环境和自然环境下对优化后的咬合式末端执行器进行了试验研究。在实验室环境下,进行了不同偏角、不同粗细果柄的剪切实验,结果表明:采摘成功率为92%,比优化前提高了 28%;在自然环境下,进行了局部优化后水平姿态、局部优化后45°姿态和最终优化方案三种不同工况的对比实验,结果显示:最终优化方案采摘成功率为85%,相比局部优化后水平姿态提高了 55%,相比局部优化后45°姿态提高35%。这充分说明本文对于咬合式末端执行器优化的合理性、有效性。