目前国内水果采摘作业基本上采用手工方式。在水果生产作业中,采摘环节最耗时、最费力,而且成本费用较高。随着我国社会老龄化问题的日趋严重及农业劳动力逐步向其他行业转移,农业劳动力短缺问题越来越突出,在水果采摘环节投入大量劳动力已经越来越困难。因此,研究、开发水果采摘机器人用于水果收获作业具有重要意义。目前水果采摘机器人大都采用单末端执行器结构,采摘过程中每个果实的采摘均需要机械臂和末端执行器同时工作,单个果实的采摘周期较长,采摘效率不高,严重影响了水果采摘机器人的实用化。针对目前单末端苹果采摘机器人作业周期长、采摘效率低等问题,本文在国家“863”计划项目“移动式果树采摘机器人关键技术的研究”的基础上,开展了多末端苹果采摘机器人系统设计与研究,为提高采摘机器人工作效率及实现采摘机器人实用化提供参考。本文的研究工作及取得的主要结论如下:(1)在调研、分析了苹果和柑橘等作业对象物理特性的基础上,提出了连续采摘作业对末端执行器结构及功能的要求,设计了杯状和筒状结构末端执行器。阐述了两种末端执行器工作原理,研制了筒状末端执行器物理样机并进行了采摘试验。所设计的筒状末端执行器结构紧凑、驱动简单,采用非夹持结构,避开夹持力的计算与设定,能够吸收机械臂末端定位误差,适用于苹果和柑橘等球形水果自动化收获,能够存储少量果实,满足连续采摘作业要求。(2)设计了多末端水果采摘机械臂。分析了国内外各种结构采摘机械臂性能特点,总结了采摘机械臂设计要求。在调研、分析了矮化密植栽培模式下苹果树冠形状特点、尺寸及果实在树冠上的生长、分布特点的基础上,结合多末端采摘作业要求,采用主从两级结构设计了多末端采摘机械臂。采摘机械臂主臂末端挂接多个从臂,其目标水平工作空间为Om～2.5m,垂直工作空间为0.75m～2.85m。在Matlab软件环境下运用蒙特卡罗法进行了机械臂工作空间仿真,仿真结果表明:所设计的多末端采摘机械臂能够满足果树一侧果实的采摘要求。(3)结合所设计的多末端采摘机械臂结构,提出了多末端采摘机器人果树分区采摘作业策略。将一整棵果树一侧分为若干个采摘区,每个采摘区对应一个采摘点,采摘作业时,主臂到达采摘点后,由各从臂协助末端执行器同时进行该区内所有果实的连续采摘,然后进行果实的集中回收。采用“主臂多动、从臂少动”的原则推导了采摘点坐标计算公式。结合分区采摘作业策略,建立采摘机械臂运动学模型,采用D-H法推导了运动学方程,并运用Matlab Robotics Toolbox进行了运动学仿真验证。(4)进行了苹果果实识别与定位研究。分析了果树分区采摘作业对双目视觉图像采集要求,推导了该要求下摄像机物距与双目视觉有关参数、从臂结构参数之间的数值关系。采用颜色、面积及形状特征相结合的方法进行苹果果实识别,提取RGB颜色空间的色差分量R-G,采用Otsu自动阈值方法进行图像分割,并对分割后的图像进行形态学运算消噪处理,求取目标果实二维质心坐标。采用形心匹配与区域匹配相结合的方法进行目标果实立体匹配,并基于双目视觉视差测量实现了果实空间定位。(5)基于单目视觉与超声检测技术进行了振荡果实的识别与定位方法研究。首先对单目视觉采集的振荡果树图像序列进行基于色差R-G的Otsu阈值分割和形态学处理,接着对图像果实区域进行灰度填充,将处理后的图像序列叠加得到复合图像和目标果实运动区域,求取振荡果实在图像运动区域的二维平衡位置坐标。然后机械手在视觉引导下运动,其末端指向振荡果实二维平衡位置坐标,同时超声传感器检测目标果实深度信息并提取超声回波信号进行小波消噪和Hilbert变换获取信号峰峰值,通过比较峰峰值大小可较好地实现目标物苹果果实和果树枝叶的识别。当检测到果实处于适合采摘位置时,机械手爪抓取果实。实验室环境下试验表明,该方法振荡果实抓取成功率为86%。(6)设计了多末端采摘机器人控制系统,并制造物理样机进行了采摘试验。基于开放式机器人控制系统主要思想,设计了分布式多末端采摘机器人控制系统。控制系统采用上、下位机二层结构,下位机包括主臂控制器和从臂控制器。通过建立数学模型研究了步进电机运动控制及细分驱动原理,在此基础上,基于多轴步进电机构建了从臂运动控制系统。结合分区采摘作业策略开发了控制系统软件,制造机器人物理样机并在实验室环境下进行了采摘试验,试验结果表明,采摘成功率为82.14%,单果采摘平均耗时4.5s。