采摘机械手设计中多领域耦合作用关系识别及设计知识挖掘

With fruit picking manipulator as the research object，the multi-domain coupling relationships between the key factors of operation characteristics, such as morphological features, planting patterns, biomechanical properties, growth distribution characteristics of fruit, manipulator mechanism design parameters and working performances will be recognized. And the knowledge will be mined from those coupling relationships.By the analysis for the influence of fruit morphological characteristics and biomechanical properties on the flexibility and self-adaptive design shape of end-effector, as well as the exploration for the multi-domain coupling coordinate design of picking manipulator, more multi-domain knowledge will be obtained. Those include operation environment evaluations, the design criteria for picking manipulator with the best comprehensive performance under the effect of the multi-domain coupling factors, the design criteria for flexibility and shape self-adaptive design of underactuated multi-fingered and its grasping control strategy. All of these can be used to guide the precise construction for the self-adaptive structure of picking manipulator in order to solve the present problems of low efficiency, poor flexibility, being not generally applicable, and difficulty to control. In addition, the theory accumulation and technical support of picking manipulator intelligent design will be realized by the multi-domain knowledge.

以果实采摘机器机械手为研究对象，开展果实形态特征、栽培方式、生物力学特性、果实生长分布特点等作业特征中关键因素与机械手机构设计、工作性能间的多领域耦合关系识别和知识挖掘；分析研究典型果实形态及其生物力学特征对末端执行器柔性和形状自适应性设计的影响，以及探索采摘机械手的多领域耦合协调设计，从中获得作业环境评价指标、多领域耦合因素影响下，综合性能最优的采摘机械手机构设计准则以及欠驱动多指手柔性、形状自适应性设计准则及其抓取控制策略等多领域耦合知识，用于指导采摘机械手自适应结构的精确构建，以解决其目前所存在的作业效率低、柔性差、难于控制和通用性低的问题。此外，也为采摘机械手智能化设计方法的研究提供理论积累和技术支撑。

目前，国内外采摘机械手设计普遍沿袭工业机械手的设计方案，设计过程“强经验，弱理论”，设计结果对作业环境适应性、通用性和柔性作业的能力不足，导致大多数研究成果无法得到推广普及程度。为此，本项目针对机械化采摘过程中存在的采摘机械手对作业环境的适应性、末端执行器抓取过程中的形状自适应性、柔性和稳定性等方面存在的问题开展了相关研究。. 针对典型果实采摘的非结构化作业环境进行了数学描述，并利用分形理论建立了作业环境采摘难易程度的评价指标及评价方法，为机械手的路径规划和避障策略算法研究提供了模拟实验环境和准确的作业环境参数，有助于将农机装备与农艺相结合，为果树树形选择优化，以及提出适合于机械采摘的果树生长和修剪方案提供量化方法和理论依据；提出并建立了采摘机械手三个工作性能评价指标：工作空间、静刚度性能及全域速度综合性能，实现了从工作空间、位移误差以及运动速度波动三个角度进行采摘机械手综合运动性能的评价；研究分析了作业环境关键特征与机械手结构参数、工作性能指标间的耦合作用规律，为指导机械手结构设计，建立适宜机械化采摘的果蔬栽培模式提供有效方法。完成了典型果实与不同接触材料间的摩擦系数，以及抗压弹性模量、屈服强度、弹性度等生物力学特性的测定，初步分析了机械采摘中果实生物力学性能的影响因素，从降低果实机械损伤角度，为采摘机械手末端执行器指面选材，抓取力和抓取速度的控制提供了参考依据；提出了一种具有形状自适应性的末端执行器设计方案-欠驱动三指灵巧手，指出其实现柔性和稳定抓取的设计准则；提出了基于最小势能原理的末端执行器抓取稳定性分析方法，为抓取点位置规划提供了理论依据。. 项目研究成果最终形成了具有普适性的，多领域耦合因素影响的采摘机械手结构设计准则，为实现采摘机械手的结构精准设计提供了理论积累和技术支撑，不仅具有学术价值，还具有重要的实用意义和广泛的应用前景，有助于推进机械采摘方式在国内的实用化进程。