柑橘是重庆市乃至西南地区大规模种植的农产品之一,是农业经济发展的重要支柱。目前,柑橘采摘主要以人工方式为主,存在采摘作业集中、劳动强度大、成本高、效率低等缺点。因此,研究智能、高效的柑橘采摘机器人有助于减轻劳动强度、降低生产成本、提高生产率。采摘姿态与采摘序列直接影响采摘机器人的采摘成功率、效率和能耗,为此,本文围绕这两个方面开展了以下研究工作:(1)对柑橘采摘机器人的正逆运动学进行了求解;设计了正逆运动学求解的仿真界面,可直观地查看正逆运动学解与不同逆解所对应的机器人状态仿真图;同时,采用蒙特卡罗法对机器人的工作空间进行仿真分析,根据工作空间的特点筛选出采摘空间内的柑橘中心点坐标,对其进行采摘。(2)针对自然环境下通过视觉系统难以获取柑橘果柄空间方位信息,导致机器人采摘姿态缺失,影响采摘成功率的问题,本文结合柑橘果柄实际的生长情况和课题组所研制的咬合型末端执行器,建立了末端执行器采摘柑橘的模型,据此提出了柑橘采摘机器人采摘姿态的目标函数并进行了求解。为使机器人根据所求的采摘姿态完成采摘任务,提出了五次多项式与线性函数拟合的笛卡尔空间轨迹规划方法并进行了仿真验证。仿真结果表明:本文提出的轨迹规划方法速度曲线更加平滑,能有效地解决采摘机器人在启、停阶段加速度突变的问题。(3)结合柑橘采摘机器人需连续采摘多个柑橘的作业要求,基于现有采摘序列规划方法提出了一种新的采摘序列规划方法及对其求解的智能优化算法,实现了对逆解选取及排序的动态规划。仿真结果表明:采用新的采摘序列规划方法,采摘过程能耗更小;所提出的智能优化算法可有效地进行多个拟采摘柑橘的逆解选取及排序。(4)搭建了柑橘采摘机器人实验平台,开展了室内、室外柑橘采摘实验。结果表明:本文提出的笛卡尔空间直线轨迹规划方法可以满足机器人室内及室外环境对采摘路径和采摘姿态的要求;室内、室外环境下采摘机器人末端执行器包含柑橘的成功率分别为89.47%和70.00%;本文提出的基于“能耗最小”的规划方法以及双重智能优化算法,可实现采摘机器人的多果连续采摘功能,相比于按“路径最短”原则编制的多果采摘算法,平均单果采摘能耗降低了16.20%,相比于仅考虑多果采摘排序而未考虑逆解选取的基于“能耗最小”原则,平均单果采摘能耗降低了12.62%。