1.1 研究背景与意义

我国的果蔬产业一直是农业经济里的重要组成部分，也是农民增收的关键来源，近些年的种植规模与总产量都保持着稳步提升的状态，居民的日常消费需求也被更好地满足了，相关的统计数据能直观地体现出这一变化趋势。

表 1-1 2021-2024 年我国果蔬总产量与种植面积统计

年份	果蔬总产量（万吨）	总种植面积（万公顷）
2021	78200	2350
2022	80100	2380
2023	82500	2410
2024	84900	2440

果蔬的种植规模在不断扩大，可采摘环节的用工缺口问题也变得越来越突出了，人工采摘的成本已经占到了果蔬生产总成本的 30% 到 40%，劳动力的价格还在以每年 5% 到 8% 的幅度持续上涨，很多果园和温室大棚都出现了招不到工人、采摘不及时的情况，成熟的果实要是没能被及时采下来，就会出现腐烂变质的问题，会给种植户带来不小的经济损失，传统的人工采摘模式已经很难跟得上规模化、标准化的现代农业发展节奏了。

农业机械化与智能化是现代农业发展的必然方向，采摘环节的自动化改造能有效解决用工短缺、成本偏高、效率偏低等现实难题，果蔬采摘机器人的研发与应用，能把人从重复繁重的采摘作业里解放出来，还能提升采摘的作业效率、降低果实的损伤率，让整个果蔬生产的产业链变得更稳定、更高效，对推动我国设施农业与果园机械化的升级有着很重要的现实价值。

本研究针对轻型果蔬采摘机器人的四关节机械臂做结构设计与参数选型，重点解决小范围、轻负载、高精度的采摘作业需求，所设计的机器人能适配温室与小型果园的作业场景，有结构轻巧、控制灵活、成本可控的特点，能为中小型种植主体提供实用的自动化采摘方案，也能为同类轻型采摘机械臂的设计提供可参考的技术思路。

1.2 国内外研究现状

国外对果蔬采摘机器人的研究起步比较早，欧美、以色列等国家和地区已经形成了相对成熟的技术体系与商业化产品，一方面是因为这些地区的农业种植标准化程度高，大型农场的应用场景能很好地适配机器人作业，另一方面是当地在机械设计、视觉识别、智能控制等领域有深厚的技术积累，能为机器人的研发提供有力支撑。美国 Advanced Farm Technologies 公司推出的 T-6 型采摘机器人，用了多并联机械臂和深度学习视觉技术，搭配柔性的抓手结构，把果实的损伤率控制得很低，在加州的草莓园里作业效率能达到人工的 5 倍左右，还采用租赁的模式降低了农户的使用门槛，以色列 FFRobotics 公司研发的多臂采摘平台配备了 12 个三指机械手，每小时能完成一万个果实的采摘作业，很适合矮化密植的果园场景，已经在以色列和美国的大型果园里得到了规模化应用，英国的 Fieldwork Robotics 团队针对覆盆子这类易损伤的果实，开发出了带有多相机光谱识别功能的柔性采摘机器人，能直接把采摘下来的果实送到零售包装环节，减少了二次搬运带来的损耗，国外的研究大多偏向大型化、专业化、商业化，机器人的作业效率与稳定性都有不错的表现，不过设备的造价与运维成本偏高，而且结构尺寸偏大，很难适配我国零散种植、地形复杂的果蔬生产场景。

国内的果蔬采摘机器人研究起步相对晚一些，近些年在政策扶持与市场需求的双重推动下，很多高校、科研院所和科技企业都加入了研发队伍，整体技术水平有了很明显的提升，国内的研发方向更偏向适配本土的农艺特点，重点解决丘陵山地、温室大棚、小型果园等场景的采摘难题，在轻量化、低成本、柔性作业等方面做了不少创新尝试。西北农林科技大学的杨福增团队针对苹果采摘场景研发的双臂采摘机器人，果实识别速度很快，还优化了机械臂的结构，能适应山地果园的复杂地形，把采摘的损伤率控制在了较低水平，苏州博田自动化的草莓采摘机器人借助多光谱识别技术，把成熟果实的识别准确率提升到了 98.3%，在长三角地区的温室大棚里得到了广泛应用，市场占有率达到了 35%，杭州乔戈里科技研发的猕猴桃采摘机器人用了柔性机械臂的设计，能有效避免果实被夹伤，损伤率被控制在 1.2% 以下，2024 年的国内销量有了大幅度的增长，国内的研究已经从实验室样机阶段慢慢走向田间示范应用阶段，不过多数设备还存在通用性不强、作业效率有待提升、关键部件选型不够精准等问题，在轻负载、小范围、多场景适配的采摘机器人设计上，还有很大的优化与完善空间。

1.3 研究内容与技术路线

本研究围绕轻型果蔬采摘机器人的机械臂系统展开设计与验证，一是明确机器人的核心作业工况，确定工作重量、伸展范围、运动速度等关键指标，完成负载与运动参数的拆解与量化，二是开展四关节机械臂的总体方案设计，确定腰部、大臂、小臂、执行端的结构形式与传动方案，完成电机、减速器等关键部件的参数计算与选型校核，三是借助三维建模软件完成整机与零部件的模型构建，做装配检查与干涉分析，保证结构设计的合理性，四是从扭矩、过载、速度、惯量、响应时间等多个维度做仿真与计算验证，确认设计方案能满足实际的采摘作业需求。

研究的技术路线会按照需求分析、方案设计、结构设计、建模装配、校核验证的流程一步步推进，先梳理清楚采摘机器人的作业需求与约束条件，再确定总体的设计方案，接着完成关键部件的结构设计与参数计算，然后建立三维模型并做干涉检查，最后通过多维度的校核验证优化设计方案，确保最终的设计结果安全可靠、能落地实现，整个研究过程会把理论计算、参数选型、仿真验证结合起来，保证设计的科学性与实用性。

第二章 总体方案设计

2.1 设计需求与核心性能指标 

结合果蔬采摘实际作业场景，明确机器人的设计需求主要包括：适配苹果、柑橘、黄瓜等常见果蔬的采摘需求，具备灵活的移动与作业能力；采摘过程中避免果实损伤，保证采摘效率；结构轻量化、紧凑化，适配温室大棚狭窄空间与果园垄间作业；操作便捷，可实现半自动或全自动控制；具备一定的环境适应性，能够应对不同光照、温度条件。

基于上述设计需求，确定机器人的核心性能指标，涵盖采摘效率、机械臂性能、移动性能、果实损伤率等关键参数，具体指标要求如下表所示，为后续各系统设计提供量化依据。

表2-1 果蔬采摘机器人核心性能指标表

性能指标类别	具体指标名称	指标要求	备注
采摘性能	采摘效率	≥15个/min	针对直径80-120mm球形果蔬
采摘性能	果实损伤率	≤2%	无明显表皮破损、挤压痕迹
机械臂性能	自由度	5自由度	满足空间多姿态采摘需求
机械臂性能	最大作业半径	≥1400mm	覆盖果蔬生长常用高度范围
机械臂性能	重复定位精度	±0.5mm	确保精准抓取果实
移动性能	最大移动速度	0.8m/s	可调节，适配不同作业场景
移动性能	转弯半径	≤300mm	适应狭窄通道转向
动力性能	连续作业时间	≥8h	满足单日作业需求
环境适应性	工作温度范围	-5℃~45℃	适配多数地区温室与果园环境

2.2 机械臂整体构型与自由度规划

机械臂作为果蔬采摘机器人的核心执行部件，其构型与自由度直接影响采摘作业的灵活性与精准度。结合采摘作业需求，综合对比串联关节型、并联型、SCARA型三种常见机械臂构型的优缺点，确定采用串联关节型构型，该构型结构简单、运动空间大、灵活性高，能够实现多姿态、大范围的采摘动作，适配不同位置、不同生长角度的果蔬采摘。

基于串联关节型构型，进行自由度规划，结合果蔬采摘的动作需求（基座旋转、大臂俯仰、小臂俯仰、腕部旋转、末端执行器调节），确定机械臂采用5自由度设计，各自由度分工明确、协同工作，确保作业覆盖范围与动作灵活性。各自由度的具体参数与功能规划如下表所示，实现精准定位与平稳采摘。

表2-2 果蔬采摘机器人机械臂自由度规划表

自由度编号	关节类型	运动范围	功能描述	驱动方式
1	基座旋转关节	0°~360°	带动机械臂整体旋转，扩大作业横向范围	伺服电机+谐波减速器
2	大臂俯仰关节	-20°~90°	调节大臂高低位置，适配不同高度果蔬	伺服电机+谐波减速器
3	小臂俯仰关节	-10°~80°	配合大臂调整作业半径，精准靠近果实	伺服电机+谐波减速器
4	腕部旋转关节	0°~360°	调整末端执行器姿态，适配果实生长角度	伺服电机+行星减速器
5	末端调节关节	0°~180°	控制末端执行器开合与剪切动作	伺服电机+丝杠传动

2.3 动力与传动系统方案确定

动力与传动系统是机器人稳定运行的核心保障，需结合各部件的负载需求、运动精度要求，选择合适的动力源与传动方式，确保动力传递平稳、精准、高效。综合考虑机器人的轻量化、小型化需求，动力系统采用“锂电池供电+伺服电机驱动”的方案，传动系统根据不同部件的运动需求，分别采用谐波减速器、行星减速器、丝杠传动等方式，实现动力的精准传递。

动力系统中，锂电池选用高容量磷酸铁锂电池，确保连续作业时间满足设计要求；伺服电机根据各关节与部件的负载差异，选用不同功率规格，确保动力充足且节能。传动系统的具体方案与参数如下表所示，兼顾传动精度与结构紧凑性，适配机器人的作业需求。

表2-3 果蔬采摘机器人动力与传动系统参数表

系统部件	动力源规格	传动方式	传动比	适用场景
机械臂1-3关节	伺服电机，功率400W	谐波减速器	1:100	负载较大、精度要求高的关节运动
机械臂4-5关节	伺服电机，功率200W	行星减速器	1:50	负载较小、转速要求高的关节运动
移动底盘	无刷直流电机，功率300W/台	齿轮传动	1:30	底盘驱动，实现平稳移动
末端执行器	伺服电机，功率150W	丝杠传动	1:20	夹爪开合与剪切动作，精度要求高
动力供给	磷酸铁锂电池，48V/20Ah	导线传输	无	为整机各部件提供稳定电力

2.4 总体方案可行性分析

为确保总体方案的工程可实现性、技术可行性与经济合理性，从技术、性能、经济、环境四个维度进行全面分析，验证方案是否能够满足设计需求与实际作业要求。

技术可行性方面，所选串联关节型机械臂、伺服电机驱动、谐波减速器传动等技术均为成熟的工业应用技术，不存在技术瓶颈；SolidWorks建模、运动学仿真等工具可有效支撑后续设计与验证，零部件均为标准化、市场化产品，采购与加工便捷。性能可行性方面，结合核心性能指标与各系统参数，通过理论计算可知，机械臂的作业半径、定位精度，移动底盘的移动速度、转弯半径，均能满足果蔬采摘作业需求，果实损伤率可控制在设计范围内。

经济可行性方面，整机核心零部件均选用性价比高的标准化产品，避免定制化设计带来的成本增加；结构设计简洁，加工工艺成熟，可降低制造成本；机器人投入使用后，可大幅替代人工采摘，减少人力成本，短期内可收回投资。环境可行性方面，动力系统采用锂电池供电，无废气排放，噪音控制在60dB以下，不会对果园、温室环境造成污染；结构设计适配不同作业环境，可在多种气候条件下稳定运行。

综上，本次设计的果蔬采摘机器人总体方案，在技术、性能、经济、环境等方面均具备良好的可行性，能够满足实际采摘作业需求，为后续详细设计提供可靠的方案支撑。

图2-1 总体方案设计图

第三章 关键部件的设计校验

3.1 校验基础参数与材料属性

本次校验严格贴合温室大棚与果园果蔬采摘实际作业场景，明确满载作业工况下的各项载荷参数，核心承载部件（移动底盘车架、机械臂连杆）统一选用6061-T6铝合金，该材料具备轻量化、高强度、耐腐蚀、易加工的突出优势，适配机器人结构轻量化、高可靠性的设计需求；末端执行器夹爪采用TPU柔性材料与6061-T6铝合金组合结构，兼顾夹持柔性与结构强度。各部件材料力学性能参数、工况载荷参数及校验相关基础参数汇总如表3-1所示，为后续各项校验工作提供统一的计算基准。

表 3-1：关键部件校验基础参数表

参数类别	具体参数	数值	单位
材料属性（6061-T6铝合金）	密度 ρ	2700	kg/m³
	弹性模量 E	68.9	GPa
	泊松比 μ	0.33	-
	屈服强度 σₛ	240	MPa
	抗拉强度 σᵦ	310	MPa
	许用安全系数 [n]	2.5	-
材料属性（TPU）	弹性模量 E	0.08	GPa
	屈服强度 σₛ	18	MPa
工况载荷	整机额定载荷	500	N
	机械臂最大抓取力	80	N
	末端执行器工作载荷	30	N
	作业冲击载荷系数 K	1.2	-
校验基准参数	疲劳极限 σᵣ	120	MPa
	许用挠度系数 [f/L]	1/500	-

校验工作的核心判定标准的是许用应力与许用挠度，其中许用应力需根据材料屈服强度与许用安全系数计算，许用挠度需根据部件长度与许用挠度系数确定，同时补充疲劳强度校验相关公式，为后续各项校验提供理论支撑。

第四章 三维建模设计

4.1 整机整体结构建模

果蔬采摘机器人整体采用“移动底盘+多关节机械臂+末端执行器+视觉感知模块”的模块化构型，整体结构布局以作业场景适配性为核心，充分考虑温室大棚与果园的空间限制、果蔬生长的高度分布及采摘作业的动作流程。建模过程中，首先通过参数化设计确定整机各模块的核心尺寸参数，其中移动底盘采用四轮差速驱动结构，整体尺寸设定为长650mm、宽520mm、高400mm，机械臂采用五自由度串联关节构型，大臂长度800mm、小臂长度600mm，末端执行器适配直径80-120mm的常见果蔬果实尺寸，视觉模块搭载高清工业相机与深度传感器，安装于机械臂末端侧方，实现对果实的实时识别与空间定位。

在整体结构建模阶段，重点完成各核心部件的三维实体构建，包括移动底盘的车架、驱动电机、电池仓、万向轮组件，机械臂的基座、关节减速器、连杆机构，末端执行器的夹爪、驱动推杆、缓冲装置及视觉支架等。建模时严格遵循零部件的实际加工工艺与装配关系，对螺栓连接、轴承配合、电机安装等细节进行精准建模，同时对非核心受力的装饰部件进行适当简化，平衡模型的复杂度与运算效率。通过三维建模软件的装配功能，完成各零部件的定位与约束，确保各模块间的装配间隙、连接强度符合设计要求，形成完整的整机三维实体模型，直观呈现机器人的整体结构形态与各模块的空间布局关系。

图4-1 果蔬采摘机器人整体结构示意图

为更清晰呈现整机的空间形态与外观特征，在整体结构建模完成后，对整机模型进行渲染处理，优化零部件的颜色搭配与材质显示，形成整机轴测效果图，直观展示机器人各模块的装配关系与整体造型，为后续的结构评审与方案优化提供直观参考。

图4-2 果蔬采摘机器人整机轴测效果图

4.2 移动底盘三维建模

移动底盘作为果蔬采摘机器人的移动载体，承担着整机的承载、移动与姿态调整功能，其结构设计直接影响机器人的移动灵活性、地形适应性与作业稳定性。本设计采用四轮差速驱动底盘，整体采用铝合金型材焊接框架，兼顾结构轻量化与强度要求，底盘框架内部设置电池安装仓、控制器安装板及液压/电气管线槽，外部搭载四个麦克纳姆轮与驱动电机，实现机器人的全向移动，适配果园垄间与温室狭窄通道的作业场景。

移动底盘的三维建模过程中，首先对底盘框架进行参数化建模，根据承载需求确定铝合金型材的截面尺寸为40mm×40mm，框架整体采用矩形结构，四角设置轮组安装支架，支架处预留电机安装孔与轴承配合孔，孔径根据驱动电机输出轴直径精准设定。电池仓采用封闭式钣金结构，尺寸为300mm×250mm×150mm，内部设置电池固定卡扣与散热孔，控制器安装板采用铝合金板材，厚度6mm，表面预留各类传感器、控制器的安装螺纹孔。轮组部分采用麦克纳姆轮，直径200mm，宽度80mm，每个轮组搭配额定功率300W的无刷直流电机，电机与轮组通过联轴器连接，建模时精准构建电机外壳、联轴器、轮体及轴承组件的三维实体。

同时，对底盘的管线布置进行精细化建模，在底盘框架内侧设置管线固定卡扣，模拟电气线路与液压管线的走向，确保管线与各运动部件无干涉。通过三维建模软件的仿真分析功能，对移动底盘进行静态受力验证，模拟满载工况下底盘框架的应力分布，确保结构强度满足设计要求，为后续的装配与试验提供可靠的结构模型。重点对底盘承载结构进行细节建模，清晰呈现承载部件的连接方式与结构细节，形成移动底盘承载结构细节图。

图4-3 果蔬采摘机器人移动底盘承载结构细节图

4.3 多关节机械臂三维建模

多关节机械臂是果蔬采摘机器人实现精准采摘的核心执行部件，承担着果实抓取、姿态调整与采摘动作执行的关键任务，本设计采用五自由度关节型机械臂，包含基座旋转关节、大臂俯仰关节、小臂俯仰关节、腕部旋转关节及末端执行器调节关节，各关节采用伺服电机+谐波减速器的驱动方式，兼顾运动精度与负载能力。

机械臂的三维建模以运动学分析为基础，通过D-H参数法确定各关节的连杆长度、关节偏距与扭转角，完成各连杆与关节部件的参数化设计。基座关节采用旋转式结构，内置伺服电机与编码器，建模时构建基座外壳、电机安装座、旋转轴承及法兰连接盘，法兰连接盘尺寸为Φ150mm，与移动底盘通过螺栓固定。大臂与小臂连杆均采用空心轻量化结构，材料为6061-T6铝合金，大臂长度800mm，截面尺寸60mm×40mm，小臂长度600mm，截面尺寸50mm×35mm，连杆内部设置电机安装槽与减速器固定位，确保驱动部件的安装空间与传动精度。

腕部关节与末端执行器连接部位采用高精度轴承，建模时精准构建腕部旋转支架、伺服电机安装座、减速器连接体及末端法兰，末端法兰尺寸为Φ80mm，与末端执行器通过快换接口连接，便于不同果蔬采摘任务的末端执行器更换。各关节的伺服电机、减速器、编码器等标准件采用标准化模型库调用，确保模型的准确性与通用性。通过三维建模软件的装配约束功能，完成机械臂各关节的装配，设置各关节的运动范围，大臂俯仰关节运动范围为-20°~90°，小臂俯仰关节运动范围为-10°~80°，腕部旋转关节运动范围为0°~360°，确保机械臂的作业覆盖范围满足果蔬采摘的高度与角度需求。机械臂与移动底盘的装配精度直接影响整机作业稳定性，因此重点完成二者的装配建模，清晰呈现装配细节与连接关系。

图4-4 果蔬采摘机器人机械臂与移动底盘装配示意图

4.4 末端执行器三维建模

末端执行器是果蔬采摘机器人直接接触果实的关键部件，其结构设计直接影响采摘效率与果实损伤率，本设计采用“夹取+剪切”一体化末端执行器，集成柔性夹爪、剪切机构、缓冲装置与视觉定位支架，实现对果蔬果实的精准夹持、无损剪切与定位采摘。

末端执行器的三维建模以果蔬果实的形态特征与采摘工艺为依据，针对球形果蔬（如苹果、柑橘）与长条形果蔬（如黄瓜、茄子）的差异，设计可调节夹持力与夹持角度的柔性夹爪。夹爪采用TPU软性材质，内侧设置防滑纹理与缓冲垫，厚度15mm，夹持范围80-120mm，可根据果实尺寸自动调节夹持力，避免果实表皮损伤。剪切机构采用电动推杆驱动式剪切刀，剪切刀采用不锈钢材质，刀刃角度30°，剪切行程50mm，与夹爪协同工作，先夹持果实再剪切果梗，确保采摘过程的稳定性与完整性。

缓冲装置设置于末端执行器与机械臂连接部位，采用弹簧阻尼结构，缓冲行程20mm，有效吸收采摘过程中的冲击载荷，保护机械臂关节与末端执行器。视觉定位支架安装于末端执行器侧方，采用铝合金材质，尺寸为100mm×80mm×50mm，预留工业相机与深度传感器的安装孔，安装角度为45°，确保视觉模块的拍摄视野覆盖夹爪夹持区域，实现对果实的实时识别与空间定位。建模时对末端执行器的各零部件进行精准构建，包括夹爪本体、驱动推杆、剪切刀、缓冲弹簧、电机安装座、视觉支架等，通过装配约束完成各部件的连接，模拟末端执行器的开合、剪切与缓冲动作，验证各机构的运动协调性与装配合理性。为清晰呈现末端执行器的结构细节，对其进行放大建模，形成结构放大图。

图4-5 果蔬采摘采摘末端执行器结构放大图

4.5 整机装配与细节优化

完成各核心模块的三维建模后，基于SolidWorks的装配功能进行果蔬采摘机器人的整机装配，通过定位约束、配合关系设置，实现移动底盘、机械臂、末端执行器及视觉模块的精准连接，确保各模块间的运动无干涉，装配关系符合实际作业需求。

整机装配过程中，首先将机械臂基座与移动底盘的上表面中心位置进行固定连接，采用螺栓+法兰的配合方式，设置螺栓连接的预紧力与配合公差，确保连接强度与稳定性。然后将末端执行器通过快换接口与机械臂的末端法兰连接，设置快换接口的定位销与锁紧螺栓，确保末端执行器的安装精度与拆卸便捷性。视觉模块安装于末端执行器的侧方支架，通过螺栓固定，调整相机与传感器的安装位置，确保其拍摄视野覆盖机械臂末端作业区域，实现对果实的实时识别与定位。

装配完成后，对整机模型进行细节优化，包括零部件的倒角处理、圆角过渡，减少尖锐边角对作业的影响；对管线进行整理与固定，避免运动过程中管线缠绕；对非核心部件进行轻量化处理，优化模型的运算效率；对各模块的运动范围进行仿真验证，模拟机器人的移动、机械臂的运动及末端执行器的采摘动作，检查各部件的干涉情况。通过细节优化，进一步提升整机模型的合理性与实用性，为后续的运动学分析、有限元仿真及样机试制提供完善的三维模型支撑。

第五章 有限元分析

为验证果蔬采摘机器人机械臂结构设计的合理性与可靠性，借助 SolidWorks Simulation 仿真工具，对机械臂开展静力学有限元分析，重点从 von Mises 应力、静态位移、静态应变三个核心维度，对比两种典型工况下的力学响应特性，为结构优化与实际应用提供数据支撑。

5.1 有限元分析前处理

5.1.1 模型导入与简化

将第三章完成的机械臂三维模型导入 SolidWorks Simulation 仿真模块，为提升仿真计算效率，对模型进行适度简化处理，一是去除机械臂上的螺纹孔、倒角、圆角等非关键结构，二是保留螺栓、电机安装座、减速器壳体等核心承载部件，确保简化后的模型力学特性与原模型一致，同时减少网格划分数量与计算时长。

5.1.2 材料属性定义

结合机械臂轻量化与高强度需求，选用铝合金 6061 作为核心结构材料，其材料属性参数如表 5-1 所示，为后续应力、位移分析提供基础依据。

表 5-1 铝合金 6061 材料属性参数

参数名称	参数值	单位
弹性模量	7.1×10^10	Pa
泊松比	0.33	—
屈服强度	2.4×10^8	Pa
密度	2.7×10^3	kg/m³

5.1.3 网格划分

采用自动网格划分方式，对机械臂各关节连接处、臂体根部等应力集中区域进行网格局部加密，设置全局网格尺寸为 5mm，加密区域网格尺寸为 2mm，最终生成的有限元网格模型包含节点数与单元数均满足仿真计算精度要求，网格质量均匀，无明显畸变单元，为仿真结果的准确性奠定基础。

5.1.4 边界条件与载荷施加

结合果蔬采摘机器人实际作业工况，确定两种典型分析工况：工况 1 为机械臂处于最大伸展状态，末端承载 1.0kg 果蔬，腰部固定约束；工况 2 为机械臂处于半伸展状态，末端承载 1.0kg 果蔬，腰部固定约束。载荷施加时，在机械臂末端加载 1.0kg 对应的重力载荷，腰部端面施加全约束，模拟实际作业中机械臂的固定状态与负载情况，确保边界条件与载荷设置贴合真实作业场景。

5.2 工况 1 有限元分析结果

5.2.1 应力分析

对工况 1 下的机械臂进行 von Mises 应力分析，从仿真结果来看，机械臂整体应力分布相对均匀，应力集中区域主要出现在大臂与小臂连接处、小臂与末端执行器连接处，以及腰部旋转关节的支撑部位，这些部位因受力集中、结构约束较多，成为应力峰值区域。通过数据读取可知，机械臂最大 von Mises 应力为 78.53MPa，远低于铝合金 6061 的屈服强度 240MPa，说明机械臂在工况 1 下不会发生塑性变形，结构强度满足实际作业要求。

5.2.2 位移分析

静态位移分析结果显示，机械臂的最大位移出现在末端执行器位置，位移量为 0.1699mm，臂体根部与腰部连接处位移量较小，整体位移分布规律与机械臂的受力情况相匹配。由于最大位移量远小于采摘作业允许的误差范围（±1mm），不会影响末端执行器的精准定位与果蔬采摘精度，机械臂的刚度性能能够满足设计需求。

5.2.3 应变分析

静态应变分析结果表明，机械臂的最大应变为 2.039×10^-4，出现在小臂与末端执行器连接处，其余区域应变值均远小于该数值，应变分布趋势与应力分布趋势一致。小应变数值进一步验证了机械臂结构的合理性，在工况 1 下不会因过度变形影响结构稳定性与作业精度，整体结构可靠性良好。

图 5-1 机械臂 von Mises 应力云图（工况 1）

图 5-2 机械臂静态位移云图（工况 1）

图 5-3 机械臂静态应变云图（工况 1）

5.3 工况 2 有限元分析结果

5.3.1 应力分析

工况 2 下的 von Mises 应力分析结果显示，机械臂应力分布特征与工况 1 相似，应力集中区域仍为关节连接处与臂体受力关键部位，但因机械臂伸展角度减小，受力分布更均匀，应力峰值有所降低。读取数据可知，机械臂最大 von Mises 应力为 83.99MPa，仍低于铝合金 6061 的屈服强度，说明工况 2 下机械臂的结构强度依然充足，能够稳定承受负载载荷，不会发生结构失效。

5.3.2 位移分析

静态位移分析结果表明，工况 2 下机械臂最大位移出现在末端执行器位置，位移量为 18.50mm，相较于工况 1 位移量有所增加，但该位移量仍在采摘作业精度允许范围内，不会影响末端执行器与果蔬的精准对接，机械臂的刚度性能能够适配工况 2 的作业需求。

5.3.3 应变分析

静态应变分析结果显示，工况 2 下机械臂最大应变为 2.549×10^-2，出现在小臂与末端执行器连接处，虽略高于工况 1 的应变值，但仍处于合理范围之内，结合应力与位移分析结果，可确认机械臂在工况 2 下的结构稳定性与可靠性，能够满足不同伸展角度下的采摘作业需求。

图 5-4 机械臂 von Mises 应力云图（工况 2）

图 5-5 机械臂静态位移云图（工况 2）

图 5-6 机械臂静态应变云图（工况 2）

5.4 有限元分析结果综合讨论

对比两种工况下的有限元分析结果，一是机械臂在两种工况下的最大 von Mises 应力均远低于材料屈服强度，未出现应力过载情况，结构强度满足设计要求；二是最大位移量与最大应变值均处于合理范围，不会影响采摘作业的精度与结构稳定性；三是应力、位移、应变的分布规律均贴合机械臂的受力特性，应力集中区域集中在关节连接处，与实际机械结构的受力特点相符，说明模型简化、网格划分、边界条件与载荷设置均合理有效。
  整体而言，果蔬采摘机器人机械臂的结构设计满足静力学性能要求，在两种典型作业工况下均能稳定工作，为后续样机制造与实际应用提供了可靠的结构支撑，同时也为后续机械臂结构优化提供了数据参考，可进一步针对应力集中区域进行轻量化或强度优化设计，提升机械臂的综合性能。