基于离散伴随方法与偏转分析的葡萄采收气动吸附口优化设计及性能研究

针对葡萄机器人采收中果穗抓取难题，研究人员通过离散伴随方法优化气动吸附口结构设计，建立CFD模型分析气流速度(Vf)与压降(Pd)的关联性。经CCD实验与壁面形状优化，最终使Pd降至44.02 Pa、Vf提升至21.64 m·s-1，并揭示果穗重量(M)、果柄长度(lp)等参数对气流偏转行为的影响，为低能耗高效采收提供新方案。

　　

葡萄采收是葡萄酒产业的关键环节，但传统人工采摘存在效率低、成本高、果实损伤风险大等问题。尽管机器人技术为自动化采收带来希望，果穗抓取仍是技术瓶颈——现有气动吸附系统普遍面临吸附性能与能耗难以协同优化的困境。一方面，吸附口结构参数直接影响气流速度(V_f)和管道压降(P_d)，而当前研究多聚焦单一性能指标；另一方面，葡萄果穗在气流作用下的偏转行为受生长参数（如果柄长度、重量）和空间位置共同影响，但相关机理尚未明确。

中国农业大学的研究团队在《Computers and Electronics in Agriculture》发表研究，创新性地将航空航天领域成熟的离散伴随方法引入农业装备优化。研究首先通过计算流体力学(CFD)建立吸附口三维模型，以V_f表征吸附能力、P_d反映能耗，经台架试验验证模型误差小于10%。采用单因素实验解析长度/高度/宽度对性能的影响规律，结合中心复合设计(CCD)确定最佳高度(70 mm)和宽度(155.58 mm)。进一步运用离散伴随方法对壁面几何形状进行梯度优化，相比传统响应面法，该方法仅需1次CFD模拟即可获得全局敏感度分布，最终使P_d降低21%、V_f提升18%。针对赤霞珠葡萄果穗，通过正交实验发现：果柄与吸附口距离(D_s)=20 mm时，果穗重量(M)和果柄长度(l_p)对偏转角(α)和有效切割长度(d)具有显著性影响。

关键技术包括：1) 基于离散伴随方法的形状敏感度分析；2) 气固耦合作用下果穗偏转行为的正交实验设计；3) 结合CCD与单因素实验的多参数优化策略。样本来自中国农业大学涿州实验站种植的赤霞珠葡萄，测量了30组果穗的M、l_p、果柄直径(d_p)、穗宽(W_g)和迎风面积(S)等生长参数。

主要结果：

1. 吸附口形状选择：对比矩形、圆形、椭圆形三种结构，矩形吸附口在V_f和P_d综合性能上最优。
2. 参数优化规律：吸附口长度增加会导致V_f下降而P_d上升，高度/宽度增大则使二者同步降低。
3. 离散伴随优化效果：壁面形状优化后P_d从基准值55.83 Pa降至44.02 Pa，降幅达21.2%，同时V_f提升至21.64 m·s^-1。
4. 果穗偏转机制：Pearson相关性分析显示M与l_p呈强相关(r=0.82)，D_s对α的影响权重达47.3%。

这项研究首次将离散伴随方法应用于果蔬采收装备设计，突破传统优化方法在复杂边界条件下的局限性。实践层面，提出的20 mm最佳吸附距离可直接指导采收机器人路径规划；理论层面，建立的果穗生长参数-气流动力学响应关联模型，为其他浆果类作物气动采收提供参考。该成果对推动农业装备低碳化发展具有重要意义——按优化后参数计算，单台采收机年均可节电约320 kWh，相当于减少碳排放256 kg。未来研究可进一步结合深度强化学习，实现吸附口结构的自适应动态优化。