丘陵山区果园果树的冠层嫁接目前主要依赖人工踩高,攀爬进行嫁接作业,危险性较高且劳动强度大。果树冠层嫁接区域具有复杂空间形状,需要一种机械化辅助装置在冠层嫁接过程中提供力支撑和定位。因此针对果树高冠嫁接作业机械化的需求,本文设计可实现频繁位姿变换和位姿保持的嫁接辅助机械臂,依靠关节制动器来制动定位并保持位姿,可在机械臂末端安装用于嫁接作业的末端执行器装置,辅助园艺工作者完成果树的冠层嫁接工作。嫁接辅助机械臂可以在丘陵山区果园作业环境下完成辅助嫁接作业任务,具有一定研究意义与应用前景。本文的主要研究内容如下:(1)对丘陵山区嫁接果园进行调查研究。根据果树冠层嫁接区域的分布特点,提出机械臂的设计指标。采用4R串联人机协作机械臂设计方案,通过对被动关节制动定位实现嫁接辅助作业。确定其结构尺寸参数。对机械臂的旋转和俯仰大臂进行有限元分析校核,并基于蒙特卡洛方法分析出了末端可达工作空间。(2)根据嫁接辅助机械臂的结构设计方案,对机械臂牵引运动过程进行运动学分析,推导出机械臂静力平衡方程。基于拉格朗日动力学建模方法建立4R嫁接辅助机械臂在牵引运动过程和制动定位过程中的动力学模型,同时在ADAMS中建立了机械臂的虚拟样机模型,将两者进行对比,验证机械臂动力学模型的正确性。(3)根据机械臂制动定位过程中的动力学方程。对机械臂的关节制动定位过程进行仿真分析。对辅助定位过程中机械臂关节制动力矩变化范围进行求取。对嫁接辅助机械臂的制动定位过程进行了分析。分析了机械臂关节1、2间的制动力矩耦合作用对其制动定位过程的影响,并说明建立关节制动定位控制系统的必要性。(4)通过设计机械臂关节1、2的理想制动定位曲线,基于动力学模型前馈补偿的PID控制方法进行关节制动定位控制,并与PID控制方法和动力学模型前馈补偿控制方法进行仿真对比。仿真结果表明基于动力学模型前馈补偿的PID控制方法可以使机械臂关节1、2的制动定位曲线贴近理想制动定位曲线,并且相比于PID控制和动力学模型前馈补偿控制有更优异的控制效果。(5)根据结构设计方案完成样机制作,并基于STM32F103搭建嫁接辅助机械臂控制系统。对基于动力学模型前馈补偿PID控制方法的理想关节制动模式的控制程序进行编写。结合姿态传感器测量系统对样机进行关节制动定位过程试验分析,试验表明基于动力学模型前馈补偿的PID控制方法适应性强,对关节制动定位误差控制效果更佳。在此基础上进行机械臂稳定性试验,分析作业过程中的稳定性。基于动力学模型前馈补偿的PID控制方法对针对复杂空间形状的果树冠层作业的人机协作嫁接辅助机械臂制动定位控制具有实际意义。经过对其控制系统在辅助定位阶段的输出控制信号测量,表明所建立关节制动定位控制系统可降低机械臂的功耗。