第一章 绪论
例如美国在1883年成功研制了世界上第一台西红柿采摘机械手；1987年研制出了对于树冠外的果实分辨率很高于的柑橘采摘的机械手。韩国在1998年也开发研制了一种利用传感器的识别专门用来采摘成熟果实的苹果采摘机械手，图1-1。而且该装置还可以比较轻松的在果园里自由移动，工作空间范围较广。
而作为新兴的发达国家的代表，日本在农业机器人研究方面更是全面且多方位。例如为了喷洒农药专门设计出来的喷农药机器人，传感器的加入使它能自动的喷洒农药。还有为了嫁接特意设计的机器人，极速的嫁接成倍的提高了生产效率。施肥机器人利用橡皮做成的四个超窄轮子可以做到在在狭窄的作物间行走。人机协作型机器人则是通过人与机械手的共同协调作用来完成水果采摘的。在采摘过程中，通过用人来完成定位与机器的导航的任务，而其它的工作（例如：关节的转动，末端执行机构等）则是由机器人精准控制来协调完成。
图1-1 苹果采摘机械手
除此之外，日本还研究了西红柿，葡萄，草莓，黄瓜等一系列的水果采摘机器人，如图1-2。
西红柿采摘机器人 草莓采摘机器人
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第一章 绪论
黄瓜采摘机器人 葡萄采摘机器人 图 1-2
1.3.2 国内机械手研究概况
作为一个果蔬生产大国，中国虽然在农业机械自动化方面晚起步于其他发达国家，但是先天的不足不能扼住奋发的国人。1997年，东北林业大学教授陆怀民以液压为驱动，配合以单片机控制系统，成功的研制出了松木球果实采摘机器人。果实采摘作业时，由底部的行走机构带动五自由度的机械手靠近果树，然后由控制系统控制液压缸实现大小臂的俯仰从而实现果实的精确采摘。2001年，针对番茄采摘采摘过程中定位不精准的问题，张瑞合等人巧妙地运用双目立体视觉的办法成功的解决了这一大难题。2005年，梁喜凤 苗香雯 等人针对番茄机械手的机械运动特性问题成功的进行了结构的优化的运动的仿真。而近年来，随着国家对农业的重视和资源投入加大，作为农用机械的一大热点，机械手更是有了质的优化和跨越，不过面对复杂多变的工作环境，机械手的研究依旧任重而道远。
1.4 目的和意义
在当今日新月异的社会浪潮中，社会生产种类日益多样化。为了适应时代的发展，实现生产自动化，各种机械手已经逐渐替代人工劳动力出现在不同的工作岗位上。其目的和意义:
一、将人类从枯燥单调的社会生产活动中解放出来。随着社会的发张，为了更好的管理，促进生产发展，果园种植生产活动的许多劳动力越来趋于专业化和模块化，长时间的单一重复的工作不仅很容易使人疲劳，而且长就的往往会给人带来一定的身体伤害，用机械手代替劳动力，可以将人类从枯燥单调的社会生产活动中解放出来。
二、代替人类劳动力从事危险的社会生产活动。水果采摘作为一项户外生产活动，往往会存在着一些不可预知的危险，实施人工采摘容易发生意外事故。而且经济的发展不断的刺激着人类对未知环境以及事物的探索，可是未知的环境往往隐藏着许多不为人知的危险，贸然投入人力，很容易发生意外，导致人员受伤。而机器人机械手的投入使用可以提前将那些隐藏的危险提前触发或者发现，更甚者可以提前排除那些隐藏的危险，为工作人员的进一步工作提供良好的环境。
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第一章 绪论
三、极大的提高生产效率。生产效率的保证是一项社会生产活动健康进行的重要指标。为了保证效率，许多果园往往会投入大量的人力资源以及出台一系列的政策去刺激生产。可是大量劳动力的投入往往并不意味着生产率的提高，而由于人的作息问题，生产政策的出台往往也只能短期时间内起到刺激生产的作用，根本不能从根本上解决问题。而机械手的投入使用却可以从根本上完美的解决这个问题，长时间精准的运转不仅极大的提高了效率，而且采摘质量也得到了保证。
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第二章 柑橘采摘机械手的机构设计
第二章 柑橘采摘机械手的结构设计
2.1 柑橘采摘机械手的系统构成
为了实现柑橘果实采摘活动，并在满足工作条件的情况下有尽可能大的工作空间，机械手必须满足俯仰，旋转等运动，所以机械手必须是多自由度的。图2-1为其简易结构示意图。
图2-1 柑橘采摘机械手简易结构示意图
在图2-1中，1是控制计算机；2是底座；3是腰部；4是大臂；5是小臂。在采摘过程中，机械手在伺服电机的带动下，通过腰部的旋转，大小臂的俯仰将机械手的末端定位到所需要采摘的柑橘位置，然后通过末端的执行机构实现果实的采摘。
2.2 柑橘采摘机械手的材料选定
在柑橘采摘的整个生产活动中，由于机械臂并不需要受很大的力，为了更好的适应复杂的果园环境整体机构尽量灵巧轻便，另外考虑到制造的成本问题，综上几点，选择密度相对较低，但强度较高的铝合金为制造机械手的材料。以下是几种型号铝合金的性能参数表2-1：
表2-1 铝合金性能参数表
牌号 屈服强度 拉伸强度 密度（20℃） 2024 325 470 2.82 5052 195 175 2.72 5083 211 180 2.72 6061 276 310 2.73 7050 455 510 2.82 为了满足机械臂对强度的要求以及尽可能的是机械手轻巧，优先选牌号为6061的铝合金作为机械手的材料。
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第二章 柑橘采摘机械手的机构设计
2.3 机械手大小臂长度的确定
2.3.1 机械手大小臂长度的确定
柑橘作为南方特有的一种常绿小乔木，树高通常在近两米左右。在果园种植时，一般采取4×6m的种植间距，且经过科学修剪，果实一般都结在距地面一米到两米的范围之内，如图 2-2。在使用机械手实施采摘生产活动者，为了能成功采摘到树上的果实，机械手必须满足一定的尺寸要求。参考国内外果实采摘机械人的成功案列，先大致确定机械手大臂长度L1=600mm,小臂长度L2=500mm
图 2-2 果园柑橘种植
2.3.2 基于果园环境的机械手CAD模拟
模拟原则：假设机械手是安装在履带式的行走机构上，在采摘过程中，当行走机构带着机械手靠近果树边沿时，要使机械手能成功采摘到果树上的所有成熟果实，在腰部旋转机构固定时，必须使其工作空间能够覆盖其半剖面，如图2-3。
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