由于果蔬采摘季节性强、时间集中,需要大量劳动力,而农业生产中最耗时耗力的环节是果蔬采摘作业。同时基于我国社会经济转型发展,农业从业人口老龄化愈来愈严重,果蔬种植采摘实现机械化、自动化是农业可持续发展的必经之路。我国香蕉产量一直稳居世界第二,香蕉基于其生物特性,据品种不同植株高度达2.5-3.2 m之间,行间距3-3.5 m。香蕉采摘属于典型的高空作业,且果串质量在30 kg-80 kg之间,人工采摘效率低、易损伤、采摘作业人员也有危险性。本课题针对香蕉采摘机器人的实际工况和作业任务,设计了一种基于圆柱坐标原理的,具有“竖直/水平”方向大行程和大负载能力的智能化香蕉采摘作业机械臂,主要完成了以下研究:（1）针对香蕉采摘的具体作业环境,提出一种基于改进型圆柱坐标原理、具有“竖直/水平”方向大行程和大负载能力的智能化香蕉采摘作业机械臂整体设计方案。根据香蕉的种植环境及生长特性,确定智能化香蕉采摘作业机械臂竖直方向工作高度0.8-3.0 m之间,水平方向臂展最大2.1 m。机械臂整体采用一种改进型的圆柱坐标原理设计方案,竖直方向采用具有同步驱动能力的双极伸缩杆实现升降采摘作业;水平方向采用具有串联结构的“大臂/小臂”结构实现最大2.1 m的臂展应用需求;机械臂末端设计有香蕉“夹持-剪切”一体化作业的末端执行器。考虑机械臂末端大负载（80kg）及水平方向的大臂展影响机器人整体稳定性,本研究中特别设计了与横向“大臂/小臂”结构相对称的水平平衡装置,以及机械臂与运动底盘之间的2DOF平衡云台机构,采用主动驱动的方式进行横向“大臂/小臂”重心位置的调节,以及竖直方向双极伸缩杆的倾斜角度调节,进而提高香蕉采摘机器人的抗倾覆性能。针对采摘极限应用工况（最大负载80 kg,“机械臂/香蕉株”最大间距2 m,以及最大采摘高度3 m）,计算了从采摘起点至终点过程中机械臂整体重心变化范围,并采用重力法分析验证机器人的抗倾覆性能,同时进行机械臂关键部位的静力学分析。（2）基于改进型Denavit-Hartenberg法建立香蕉采摘作业机械臂的整体运动学模型,进而建立香蕉采摘机械臂末端执行器与机械臂关节空间之间的映射关系,进行机械臂的正逆运动学分析,并通过MATLAB验证该运动学模型的正确性与有效性。在运动学分析的基础上,使用随机概率-蒙特卡洛法求出机械臂末端可达的运动空间,分析了机械臂的整体作业空间范围。对于机械臂的动力学问题,基于拉格朗日法建立机械臂的多刚体动力学方程,分析机械臂各部位关节之间运动及受力之间的关系,为后续基于ADAMS的动力学正/逆分析求解奠定基础。采用微分法对速度雅克比矩阵进行求解,结果表明末端运动速度与各个关节速度之间的关系和机械臂没有奇异位置。（3）在机械臂运动学及动力学分析的基础上,针对实际的香蕉采摘作业过程,进行机械臂整体的“采摘-转运-存放”过程轨迹规划。从机器人的驱动关节运动控制顺滑性及“大臂展/大负载”工况下的稳定性角度出发,建立机械臂末端执行器运动轨迹从三维空间到二维空间的简化映射关系及轨迹规划约束条件。将笛卡尔空间内轨迹曲线上的插值点通过解析法转换为关节空间内各个关节的关节变量,然后在关节空间内采用多项式插值法对末端运动轨迹进行规划,并通过在关节点的约束条件求出多项式的系数。使用MATLAB机器人工具箱,对机械臂末端分别以三次多项式与五次多项式插值法求出各关节驱动空间的位移、速度、加速度曲线,并获得在机械臂整体工作空间内的采摘作业三维轨迹路线。对于实验分析及验证,本文采用ADAMS多体动力学软件建立机械臂的仿真分析模型,设置机械臂各关节部位,及负载的参数与真实采摘环境相同。将规划的机械臂三维轨迹曲线导入,进行运动学和动力学求解,获得机械臂在具体负载工况下的关节角度,速度,加速度,驱动力矩等参数。从而验证本课题所设计的香蕉采摘机器人整体运动方案,关节驱动性能等参数满足具体的香蕉采摘需求,以及顺利完成采摘任务。