摘要
西瓜是一种一年生蔓生藤本水果，其采摘工作费时费力，劳动强度高，劳动力需求大，且随着我国农业劳动力的大量流失与人口的老龄化加剧，劳动力的成本日益增高，在农业现代化与自动化的大背景下，研发西瓜采摘机器人对于提高劳动效率、降低生产成本、推进农业现代化进程、促进农业智能科技进步具有重要的现实意义。 末端执行器作为与作物直接接触的执行机构，是采摘机器人的关键技术之一。本文以“8424”品种的西瓜为研究对象，设计了一款具有高自适应性的西瓜采摘机器人末端执行器。主要研究内容如下： （1）西瓜的果实特性试验研究。针对“8424”这一品种的西瓜进行各项特性试验，测量西瓜的尺寸与重量，实地考察统计西瓜藤的朝向，确定设计的目标。测定西瓜与三种材料之间的摩擦特性，选取性能更优的材料。利用电子万能试验机对西瓜做压缩特性试验，明确西瓜受压过程中的受力情况及最大承载力；自制试验夹具装载到电子万能试验机上做西瓜藤的剪切特性试验，明确西瓜藤的剪切特性，并通过实验分析刀具刃角、剪切速度等因素对西瓜藤剪切特性的影响；分别为西瓜采摘机器人末端执行器的夹持机构和剪切机构提供理论依据。 （2）末端执行器的结构设计。以西瓜的果实特性为基础，确定了末端执行器的整体设计要求，并根据西瓜的生长特点，结合采摘要求等因素，确定其总体结构方案。利用SOLIDWORKS软件进行末端执行器的三维建模，分析论述了各个模块的设计原理。 （3）末端执行器手指机构的参数优化。手指机构基于欠驱动的原理进行设计，对欠驱动手指进行理论分析与参数优化设计可以提高抓取的稳定性。首先确定欠驱动手指的指节尺寸，抓取和夹持力范围，并利用虚功原理对手指进行静力学分析，通过遗传算法对欠驱动手指的机构参数进行优化设计，确定合理的参数；最后通过ADAMS软件分析欠驱动手指在抓取过程中的受力情况，验证参数的合理性。 （4）末端执行器的控制系统设计。根据设计需求确定了控制系统的总体设计与整体的工作原理。并对主要的控制系统的硬件，包括主控制器、传感器、步进电机等进行了硬件选型。对主控制器模块、传感器信号输入模块、串口通信模块和步进电机驱动控制模块的电路进行了搭建。最后基于工作原理确定总体的控制软件流程，对各个模块的软件进行了程序编写，实现末端执行器控制系统的设计。 （5）样机装配与采摘试验。对西瓜采摘机器人进行了整体样机搭建，对压力传感器进行标定以明确压力和电压的关系。最后验证样机的合理性。合理性验证包括进行抓取力均匀性试验验证末端执行器的夹持机构部分结构参数和静力学模型的合理性，采摘对比试验验证末端执行器能够实现对西瓜的无损采摘，即实现西瓜的抓取与西瓜藤的剪切两个核心功能，对试验结果进行分析。 试验结果表明，该末端执行器能够实现西瓜的无损采摘，采摘成功率为91.7%。从视觉识别西瓜和西瓜藤并完成机械臂的水平方向移动定位开始计算，该末端执行器完成一次西瓜采摘的平均耗时为21.9s，具有采摘可靠、自适应性强等特点。
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