摘要
番茄采收耗时费力、劳动强度大、成本高，人工采摘的成本问题已成为影响番茄产业化的主要因素。目前，大多数国内外研发的番茄采摘机械手采收对象都是番茄单果，单果采收相对于成串采收效率偏低。研究番茄果实成串采收对降低成本、提高采摘质量和效率等方面有着重要意义。本研究以番茄串为采摘对象，进行番茄果实串采摘机械手的设计与试验，具体研究内容如下： （1）利用万能力学试验台等对番茄果实串的物理机械特性进行试验研究，得到番茄串的质量分布、果梗直径分布以及不同成熟度下茎秆剪切特性。试验表明：番茄果梗的直径近似满足正态分布规律，果梗直径在4~8.4mm的比例超过95%；番茄串样品中最大质量为0.91kg；果实成熟度越高、果梗直径越粗的番茄串所需剪切力越大。 （2）根据番茄物理机械特性结果进行末端执行器设计。采用平行手指气缸的方式完成番茄串果梗夹持；利用直流电机通过钢丝软轴带动圆形锯片高速旋转，步进电机通过丝杠螺母、套筒带动锯片前后移动来进行果梗的切割。利用ADAMS对末端执行器的采摘动作进行运动学分析，结果表明设计的末端执行器符合采摘要求；对末端执行器关节零部件进行强度校核，根据校核结果利用ANSYS对夹爪进行优化改进，对末端支架进行基于轻量化的优化设计。 （3）根据机械手目标负载1kg以及末端执行器的设计结果，进行七自由度采摘机械臂的设计，其机械结构包括：两个移动关节（水平移动关节以及升降关节）以及五个旋转关节（腰部、大臂、小臂、腕部和末端执行器）。利用SolidWorks对采摘机械手进行建模，对采摘机械手进行运动学、动力学进行研究，结果表明：末端执行器运行平稳，电机选型正确；对采摘机械臂的升降关节及大臂关节进行强度校核，结果表明：等效应力与形变量皆能满足设计要求；对机械臂整机进行抗倾覆性分析，结果表明：要保证在机械臂的正常工作，需在基座上安装一块大于9.81kg的钢板。 （4）设计采摘机械手的控制系统，制作了基于STM32微控制器的单关节控制系统，并编写了下位机与上位机软件。建立番茄串采摘试验平台，进行理论误差计算，结果表明机械臂在X、Y、Z方向上得最大误差分别为4.55mm、3.30mm、5.76mm；进行空载定位精度试验，结果表明番茄采摘果实串机械手在X、Y、Z方向上得最大误差分别为3.7mm、0.994mm、8.48mm；进行重复定位精度试验，结果表明机械手在X、Y、Z方向上的重复定位精度为±2.85mm、±3.05mm、±4.85mm；利用所设计的机械手进行番茄果实串采摘试验，结果表明平均采摘成功率为61.4%。
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