番茄采摘机器人在作业时,首先要对番茄进行可靠夹持,而夹持过程中机械手指接触番茄的瞬间将产生碰撞,很容易造成番茄的冲击及损伤。因此研究采摘机器人的夹持控制策略,首先要研究夹持碰撞过程及其影响因素。本文从番茄的粘弹塑性出发,采用虚拟样机仿真结合试验的方法,对番茄采摘机器人的快速夹持碰撞过程进行了深入的研究,并对不同条件下的碰撞力进行了分析与验证。主要研究工作如下:　　 (1)研究了番茄粘弹塑性有关的流变力学特性。测定了红熟中期、红熟前期、变色期、绿熟期四个不同成熟期番茄整果的蠕变特性、应力松弛特性以及加卸载特性,建立了四要素Burgers蠕变模型以及五要素的广义Maxwell应力松弛模型。结果表明,随着成熟度的提高,蠕变特性的瞬时弹性系数E1、延迟弹性系数E2、粘性系数η1,η2都显著减小;绿熟期的应力松弛特征参数E0、E1,E2、粘性系数η1、η22以及松弛时间τ1、τ1显著高于另三个成熟期。　　 (2)建立了番茄的非线性粘弹性有限元模型。深入探讨了ANSYS有限元表征材料的非线性粘弹性属性方法,建立了番茄的非线性粘弹性有限元模型;生成可用于ANSYS与ADAMS数据交换的模态中性文件,计算得到红熟前期番茄的前20阶模态值,最小模态值为0.14Hz,前六阶模态值均低于100Hz,7-20阶模态值处于525-905Hz之间。　　 (3)建立机器人末端执行器的三维实体模型并进行运动学的仿真分析。运用PRO/E建立末端执行器各零部件的实体模型并进行虚拟装配,导入运动学仿真软件ADAMS中运行两种不同驱动函数及驱动顺序下的运动学仿真分析,结果表明,手指速度曲线变化基本一致,虚拟样机模型正确,各电机运行协调。　　 (4)建立夹持过程的虚拟样机系统。通过数据交换文件建立了番茄柔性体的夹持系统,对手指运动速度在1mm/s-6mm/s下的夹持过程进行了仿真,计算了各夹持条件下的手指碰撞力、峰值力以及夹持过程中番茄的应变能。结果表明,夹持过程的碰撞力、峰值力以及应变能均随手指运动速度的提高而增大。　　 (5)对末端执行器的夹持碰撞过程的仿真结果进行试验验证。测试了在不同运动控制下,番茄夹持过程中的接触力,以及开度为90mm时,完成夹持的时间。结果表明,碰撞力的虚拟样机仿真结果与试验结果基本一致。仿真及试验结果发现,为避免快速夹持碰撞对番茄造成的冲击碰撞损伤,手指的夹持速度应不超过5mm/s。这一结果对于进一步研究番茄的快速夹持策略具有重要的参考价值。　　 综上,本文主要从不同成熟期番茄的粘弹塑性研究出发,利用ANSYS结合ADAMS联合仿真建立了基于番茄非线性粘弹性的末端执行器夹持碰撞仿真系统,并对仿真结果进行了试验验证,为借助虚拟样机研究夹持碰撞提供了重要参考。