中国是世界上苹果种植面积最大的国家,总产量约占世界苹果总产量的一半。但苹果收获季节性强,劳动力供给紧张,人工采收成本逐年增加,降低了苹果的经济竞争力。随着传统多维树形结构向着产量更高、更适宜机械化收获的现代化标准种植果园发展,为苹果机械化高效低损采收提供了新的机遇。本研究针对“直立墙形”种植模式的特点,提出了一种柔性梳刷式苹果采收方法,设计并试制了柔性梳刷采收平台,利用样机完成了相关实验,其主要研究内容和结论如下:(1)果柄-枝条力学参数获取与分析使用电子万能试验机测量了成熟期果实柄-枝的法向结合力和切向结合力,柄-枝的切向结合力为6.05±2.39 N小于法向结合力21.09±7.7 N,在柄-枝关节的切向方向施加载荷更容易采摘果实,可以将柄-枝关节的切向方向作为主要的施加载荷的方向。对果柄进行了轴向拉伸、径向压缩和三点弯曲力学试验,获取了果柄的轴向弹性模量82.95±10.1 MPa、径向弹性模量10.34±3.59 MPa和弯曲模量21.75±10.51 MPa。为建立果实-果柄力学系统提供了力学参数支持。(2)果实横观各向异性力学特性与跌落损伤研究基于横观各向异性理论,使用电子万能试验机测试了果实横观各向异性参数,得到了果肉的轴向弹性模量、径向弹性模量和弯曲模量分别为2.81±0.81 MPa、3.96±0.69 MPa和2.002±0.166 MPa,T检验结果表明苹果果肉具有显著的两向异性(P<0.05)。跌落试验表明了果实径向比轴向更容易损伤;冲击表面的水平速度在0.2m/s内不会增加果实损伤程度。运用显式动力学有限元法建立了多尺度横观各向异性模型,并利用跌落试验验证模型准确性。基于有限元模型讨论了收集材料对苹果碰撞损伤的影响,在跌落高度为0.5 m时果实与弹性模量小于0.03 MPa的柔性材料发生碰撞损伤的可能性较低。(3)果实梳刷采收刚柔耦合模型的建立与仿真试验研究研究了苹果在梳刷采收过程中的脱落原理,通过数值分析等理论构建了单一果实与枝条系统的动力学模型,通过对模型分析,得到了苹果在脱落时刻的运动状态和受力情况,确定了研究影响苹果采摘的七个因素。然后使用有限元法与动力学分析结合的方式,建立了梳刷刚柔耦合模型,并成功地模拟了果实脱落的运动情况。与田间验证试验对比,仿真模型的误差约为15.8%,表明了刚柔耦合模型是研究果实脱离运动的有效方法。最后通过Plackett-Burman仿真试验得到了影响果实损伤的显著性参数有梳刷辊转速、机器前进速度和梳刷指与果实的接触位置。(4)梳刷式采收试验平台的设计与田间采收试验研究针对“直立墙形”果园的特点种植特点,结合仿真模拟结果,确定柔性梳刷式采摘结构,设计了与之配合的收集装置和控制系统。其特点是回转的柔性梳刷指插入“树墙”,梳刷机沿着网格金属线前进,通过梳刷指与果实的直接接触采摘果实。通过四因素正交组合响应面试验,以采收率和损伤率为性能指标,由多元回归分析与方差分析得到了各因素的显著性排序,梳刷转速与梳刷形式、前进速度与梳刷指材料对指标的影响存在交互作用。使用Design-Expert设置优化目标为前进速度和采收率最大化,损伤率最小化,采收率和损伤率的优化权重为4,行进速度的优化权重为1,优化结果为前进速度为160 mm/s,梳刷转速为0.36 r/s,梳刷指材料为树脂与橡塑材料组合,梳刷采收中果实应在上下梳刷指之间。通过田间试验验证,针对前进速度、采收率和损伤率所优化的最佳水平组合满足设计要求。