摘要
果园末端执行器作为果园智能农机装备的执行机构，目前存在适应性与通用性较差等问题，无法同时适应不同水果、不同农艺的作业要求，难以实现大规模的推广使用，成为制约我国果园作业全程机械化进程不断推进的一个关键技术问题。本文为提高果园末端执行器的适应性和通用性，根据果园农艺需要与作业需求，提出一种适用于农艺作业的果园灵巧手，实现多种水果的抓取、采摘作业，执行剪枝等农艺任务，通过分析果园常用手势特征，完成果园灵巧手整体结构设计，探究果园灵巧手机构学特性与抓取性能，完成抓取规划研究，验证了果园灵巧手的通用性与可行性，为果园末端执行器的发展以及果园作业机械化的推进提供技术支撑。具体工作如下: 首先，本文分析了果园中常用手势特征，提出了一种将果园手势分析与人手结构相结合的四指果园灵巧手优化设计方案。基于果园中常用手势，构建了果园抓取手势分类表，分析结果表明了各手指的协同运动规律，在手势形成中的关联机制，形成了四指果园灵巧手的结构设计方案。 其次，完成了果园灵巧手各部分的具体结构设计，并形成了样机。分析现有驱动方式的特点，完成果园灵巧手驱动方式的选择，探究模块化手指、手掌及整体结构的设计，构建果园灵巧手的硬件系统和控制系统。 再次，探究了果园灵巧手的机构学特性。基于D-H法在果园灵巧手各关节建立坐标系，构建手指的正运动学方程并进行逆运动学求解，完成多指运动学方程的建立，确定手指指尖的运动空间，根据运动空间分析果园灵巧手指尖运动特点，结合Kapandji测试探讨果园灵巧手的灵巧性，分析计算各种手势下指尖的抓取范围。 然后，针对果园灵巧手精确捏取和包络抓取的不同手势抓取问题，建立抓取力学模型并进行抓取性能分析。基于物体接触的三种基本接触模型，分析确定果园灵巧手与物体之间接触模型，结合力封闭与抓取稳定性因素完成精确捏取手势力学模型的建立，根据力学模型分析手势抓取质量的影响因素，完成精确捏取手势下水果的抓取质量实验，验证精确捏取手势力学模型的可行性，基于物体的包络建立包络抓取手势力学模型，完成抓取圆柱形工具及柑橘的验证实验。 最后，设计果园灵巧手抓取规划方案，完成果园灵巧手的手势形成与抓取采摘实验。基于果园手势选择、手势库建立和手势形成过程完成抓取规划方案设计，完成了果园灵巧手的果园常用手势形成、物体抓取实验和盆栽小番茄采摘实验，实验结果表明本文所研制的果园灵巧手手势形成能力较好，能进行不同尺寸水果和枝剪等作业工具的稳定抓取且成功率较高，可完成小番茄的抓取采摘，验证了本文所设计的果园灵巧手的可行性。
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