CN111678730B - 一种水环境监测用可自动夹装的取样装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水环境监测用可自动夹装的取样装置及方法，包括无人船，无人船上设有第一支架、第二支架、第一线性模组，第一线性模组包括第一电机，第一线性模组上滑动连接有底座，底座上方连接有第二线性模组，第二线性模组包括第二电机，第二线性模组滑动连接有滑块，滑块连接有升降气缸，升降气缸连接有夹具；夹具包括壳体，壳体两侧开设有槽口，每个槽口内通过销轴各转动连接有呈三角状的挡块，销轴上设有扭力弹簧；试管的顶部外壁上设置有卡台；卡台卡接在挡块上；第二支架顶部两侧设置有与挡块相适配的挡边；还有控制器，实现对各电器元件的控制。本发明结构简单、设计合理，可自动夹装试管，实现多个地点的取样，提高了工作效率。

Description

一种水环境监测用可自动夹装的取样装置及方法

技术领域

本发明涉及取样装置技术领域，具体涉及一种水环境监测用可自动夹装的取样装置及方法。

背景技术

湖水环境是指地表洼地积水形成的水面宽阔水体的空间环境，由湖盆、湖水和水中所含各种物质(有机质、无机质和生物体等)共同组成，其特点是水流缓慢，不与大洋直接联系，湖水环境对调节河流水量和改善区域水热状况等有着重要意义。

现场采样是湖水环境监测检测中重要组成部分，其数据来源均来自于采集的水样，而采集的水样来自河流湖泊的各点。现有的采用方式为采用人员乘船手动采集，需要先将船开到河流湖泊的某一取样处，然后再手动地利用采集管等装置对该取样处的水样进行采集，其劳动强度较大，尤其是对于一些晕船的工作人员，手动采集难度较大。经检索，授权公告号为CN106885712B的中国发明专利公开了一种基于无人机的水质采样器，包括无人机、安装板、丝杠、导向杆、采样机构、第一电机、第二电机、试管堵头等。其通过在无人机的下方设置采样机构，利用第一电机控制采样机构进入到湖泊中进行水样采集，采集完成后利用第二电机控制堵头向下运动，将采集到水样的采样试管进行密封，防止在移动过程中发生泼洒。

上述专利装置在使用时还存在以下问题：(1)使用无人机取样，成本投入高，花费大，日常维保也不方便，一般规模的水样检测机构很难承担起其高昂费用；(2)每次只能取一个地点的水样，然后飞回来取放、装夹新试管，耽误时间较长，影响整体取样效率。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种水环境监测用可自动夹装的取样装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提出了一种水环境监测用可自动夹装的取样装置，包括无人船，所述无人船上设置有用于放置试管的第一支架、第二支架；所述无人船上设置有纵向布设的第一线性模组，所述第一线性模组包括第一电机，所述第一线性模组上滑动连接有一底座，所述底座上方连接有横向设置的第二线性模组，所述第二线性模组包括第二电机，所述第二线性模组上滑动连接有滑块，所述滑块连接有一升降气缸，所述升降气缸连接有用于抓取试管的夹具；所述夹具包括壳体，所述壳体两侧开设有槽口，每个所述槽口内通过销轴各转动连接有呈三角状的挡块，所述销轴上设有扭力弹簧；所述试管的顶部外壁上设置有卡台；所述卡台卡接在两个所述挡块上；所述第二支架顶部两侧设置有与所述挡块相适配的挡边，所述挡边的截面形状也呈三角状设置；还包括设置在无人船上的控制器，所述控制器分别与所述第一电机、第二电机、升降气缸相电连并实施控制，所述控制器还通过无线通讯模块连接有控制终端。

优选的，所述无人船包括两并列设置的船体，两船体通过连接板相连，所述第一支架、第二支架、第一线性模组均设置在所述连接板上；所述连接板上开设有用于取水样的通槽。

优选的，所述第二线性模组包括导轨，所述滑块滑动设置在所述导轨上，所述导轨的一端设置有所述第二电机，所述第二电机连接有丝杠，所述丝杠通过丝杠螺母与所述滑块相连；所述导轨上设置有第一挡停开关、第二挡停开关、光电开关，所述滑块上连接有用于和所述光电开关相配套的挡板，所述第一挡停开关、第二挡停开关、光感开关均与所述控制器相电连。

优选的，所述挡块外壁上设置有用于实现限位的档杆。

本发明还提出了一种水环境监测用取样方法，采用上述的一种水环境监测用可自动夹装的取样装置，包括以下步骤：

S1:初始状态下，升降气缸与第二挡停开关相接触，此时夹具正好位于第二支架的正上方；第二支架上放置有若干试管，第一支架上不放置试管；在取样时，将无人船放入水域中并控制前行到相应取样点；

S2:到达取样点时，通过控制终端远程向控制器发送命令，控制器控制升降气缸带动夹具下移，试管上的卡台与挡块相接触并挤压挡块，挡块受力旋转，扭力弹簧产生弹力，卡台前进到挡块上方，此时挡块在扭力弹簧的作用下反方向旋转，恢复到初始状态，此时卡台的底部承压在挡块的顶部，实现对试管的限位，从而完成夹具对试管的夹取；

S3:夹取完成后，控制器控制升降气缸上移，将试管从第二支架中取出,直至上移到初始位置，然后控制器控制第二线性模组带动滑块左移，进而带动升降气缸向左滑动，当挡板遮挡住光感开关时，此时夹具正位于通槽的正上方，光感开关产生信号并发送至控制器，控制器接收到信号时控制第二线性模组停止工作，同时，控制升降气缸带动被夹取的试管下移，直至穿过通槽进入水域中完成取水；取水完成后控制升降气缸带动试管上移至初始位置；

S4:然后控制器控制第二线性模组带动升降气缸继续左移，当滑块与第一挡停开关碰触时，第一挡停开关产生信号并传递给控制器，控制器接收到信号后控制第二线性模组停止工作；然后控制器控制升降气缸下移，当挡块与第一支架上的挡边相接触时，由于挡边具有斜面，挡块沿着挡边的斜面下滑，由于两挡边之间的距离由上而下逐渐变窄，挡块产生旋转，不再对卡台产生限位，试管落下进入到第一支架中，完成试管的放置；

S5:试管放置完成后，控制器控制升降气缸上移至初始位置；然后控制第二线性模组带动滑块右移，直至滑块与第二挡停开关接触，回到最初始状态位置，此时，第一次取样工作全部完成；

S6:然后控制器控制第一线性模组工作，带动底座移动，夹具跟随底座移动直至移动到下一个试管的上方；

S7:控制无人船移动到下一个取样地点，重复步骤S1-S6，完成第二次取样工作；

S8:重复上述步骤S1-S7，直至全部的取样点取样完成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明采用比较常用的无人船，方便遥控，成本较低，维护方便，可满足大众的使用需求；

2.本发明通过设置第一支架、第二支架，以及第一线性模组、第二线性模组，可实现多点位取样，一次可取多个不同点的水样，节约了时间，提高了工作效率；

3.通过设置夹具，利用夹具上的呈三角形状的挡块，方便使挡块卡接在卡台底部，可实现与试管的自动装夹；另外，通过设置挡边，且挡边的截面形状也呈三角形设置，利用挡边的斜面实现对挡块的挤压，从而实现挡块的旋转，挡块旋转过后不再对卡台限位，试管可从两挡块之间落下，从而完成试管放置在第一支架上，结构简单，设计巧妙、合理，实用性强。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明结构示意图。

图2是连接板、第一线性模组、第一支架、第二支架结构示意图。

图3是第二支架放大结构示意图。

图4是夹具架构示意图。

图5是夹具工作状态结构示意图。

图6是夹具工作状态结构示意图。

图7是夹具侧视图。

图8是本发明控制连接图。

图9是档杆结构示意图。

附图标记说明:

1无人船；2连接板；21通槽；3夹具；31壳体；311槽口；32挡块；33销轴；34档杆；35扭力弹簧；4第一支架；41挡边；42第一通孔；5试管；51卡台；6第一线性模组；61第一电机；7底座；8立柱；9第二线性模组；91第二电机；92导轨；93丝杠；10滑块；11升降气缸；12挡板；13第二支架；131第二通孔；14控制器；15光电开关；16第一挡停开关；17第二挡停开关；18控制终端。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例一

如图1-8所示，本发明提出了一种水环境监测用可自动夹装的取样装置，包括无人船1，无人船1包括两并列设置的船体，两船体通过连接板2相连，连接板2上开设有用于取水样的通槽21。具体结构可参考申请号为2018201977690的中国实用新型专利公开的一种无人船，这里不再赘述。采用比较常用的无人船1，方便遥控，成本较低，维护方便，可满足大众的使用需求。

连接板2上设置有用于放置试管5的第一支架4、第二支架13；第一支架4与第二支架13呈纵向并列设置，第一支架4上开设有多个等间距设置的第一通孔42、第二支架13上开设有多个第二通孔131，第一通孔42和第二通孔131用于放置试管5，第一通孔42与第二通孔131呈对称设置。第二支架13用于放置空试管，第一支架用于放置盛有水样的试管。

连接板2上设置有纵向布设的第一线性模组6，需要说明的是线性模组又称直线滑台、单轴机器人，是一种直线传动装置，主要有两种方式，一种是滚珠丝杠93和直线导轨92组成，另一种是用同步带及同步带轮组成，这两种都是以直线导轨92作为导向的，配合伺服电机或步进电机，可实现不同应用领域的定位、移载、搬运等。在本实施例中，第一线性模组6和第二线性模组9可采用滚珠丝杠93的结构形式。

第一线性模组6包括第一电机61，第一线性模组6上滑动连接有一底座7，第一电机61用于带动底座7实现移动；底座7上方通过立柱8连接有横向设置的第二线性模组9，第二线性模组9包括第二电机91、导轨92、滑块10，滑块10滑动设置在导轨92上，可沿导轨92进行左右滑动；导轨92的一端设置有第二电机91，第二电机91连接有丝杠93，丝杠93通过丝杠螺母与滑块10相连，滑块10连接有一升降气缸11，升降气缸11连接有用于抓取试管5的夹具3。

夹具3包括壳体31，壳体31两侧开设有槽口311，每个槽口311内通过销轴33各转动连接有呈三角状的挡块32，销轴33上设有扭力弹簧35；试管5的顶部外壁上设置有卡台51；卡台51卡接在两个挡块32上；第二支架13顶部两侧设置有与挡块32相适配的挡边41，挡边41的截面形状也呈三角状设置。

还包括设置在无人船1上的控制器14，控制器14分别与第一电机61、第二电机91、升降气缸11相电连并实施控制，控制器14还通过无线通讯模块连接有控制终端18。

无线通讯模块为WiFi、蓝牙、4g等无线网络通讯方式，控制终端18可以为手机、ipad、遥控器等移动终端设备。

导轨92上设置有第一挡停开关16、第二挡停开关17、光电开关15，滑块10上连接有用于和光电开关15相配套的挡板12，其原理为：光电开关(光电传感器)是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路接通电路，从而检测物体的有无。物体不限于金属，所有能反射光线(或者对光线有遮挡作用)的物体均可以被检测。

第一挡停开关16、第二挡停开关17、光电开关15均与控制器14通过信号线相电连。

当滑块10的左端与第一挡停开关16相接触时，此时夹具3正好位于第一支架4的上方，即壳体31的中心线与第一支架4的中心线相重合；当滑块10的右端与第二挡停开关17相接触，此时夹具3正好位于第二支架13的上方，即壳体31的中心线与第二支架13的中心线相重合。当滑块10上的挡板12移动到光电开关15上方时，光电开关15产生信号传向控制器14，控制器14控制第二电机91停止工作，此时夹具3正好位于通槽21的上方。

由于第一通孔42等间距布设的，假设相邻两个第一通孔42之间的距离为L,底座7的滑动速度记为V；在使用时，通过控制第一电机61的旋转，使底座7滑动T时间后停止，且满足T＝L/V，可实现底座7带动其上方的夹具3从其中一个第一通孔42上方正好移动到下一个第一通孔42上方。滑动速度V的单位为m/s，T的单位为秒，L的单位为米。

本发明还提出了一种水环境监测用取样方法，采用上述的一种水环境监测用可自动夹装的取样装置，包括以下步骤：

S1:初始状态下，升降气缸11与第二挡停开关17相接触，且升降气缸11的伸缩量为零，此时夹具3正好位于第二支架13的其中一个试管5的正上方；第二支架13上放置有若干试管5，第一支架4上不放置试管5；在取样时，将无人船1放入水域中并控制前行到相应取样点；

S2:到达取样点时，通过控制终端18远程向控制器14发送命令，控制器14控制升降气缸11带动夹具3下移，试管5上的卡台51与挡块32相接触并挤压挡块32，挡块32受力旋转，扭力弹簧35产生弹力，卡台51顶开挡块32前进到挡块32上方，此时挡块32在扭力弹簧35的作用下反方向旋转，恢复到初始状态，此时卡台51的底部承压在挡块32的顶部，实现对试管5的限位，从而完成夹具3对试管5的夹取；

S3:夹取完成后，控制器14控制升降气缸11上移，将试管5从第二支架13中取出,直至升降气缸11带动夹具3上移到初始位置，然后控制器14控制第二线性模组9带动滑块10左移，进而带动升降气缸11向左滑动，当挡板12遮挡住光电开关15时，此时夹具3正位于通槽21的正上方，光电开关15产生信号并发送至控制器14，控制器14接收到信号时控制第二线性模组9停止工作，同时，控制升降气缸11带动被夹取的试管5下移，直至穿过通槽21进入水域中完成取水；取水完成后控制升降气缸11带动试管5上移至初始位置；

S4:然后控制器14控制第二线性模组9带动升降气缸11继续左移，当滑块10与第一挡停开关16碰触时，第一挡停开关16产生信号并传递给控制器14，控制器14接收到信号后控制第二线性模组9停止工作；然后控制器14控制升降气缸11下移，当挡块32与第一支架4上的挡边41相接触时，由于挡边41具有斜面，挡块32沿着挡边41的斜面下滑，由于两挡边41之间的距离由上而下逐渐变窄，挡块32被挤压产生旋转，不再对卡台51产生限位，试管5落下进入到第一支架4中，完成试管5的放置；

S5:试管5放置完成后，控制器14控制升降气缸11上移至初始位置，然后控制第二线性模组9带动滑块10右移，直至滑块10与第二挡停开关17接触，回到最初始状态位置，此时，第一次取样工作全部完成；

S6:然后控制器14控制第一线性模组6工作，带动底座7移动，夹具3跟随底座7移动直至移动到下一个试管5的上方；

S7:控制无人船1移动到下一个取样地点，重复步骤S1-S6，完成第二次取样工作；

S8:重复上述步骤S1-S7，直至全部的取样点取样完成。

实施例二

在实施例一的基础上，如图9所示，挡块32外壁上设置有用于实现限位的档杆34，档杆34的长度大于槽口311的宽度，当试管5承压在挡块32上方时，对挡块32产生一个向下的作用力，挡块32会旋转，为了防止挡块32旋转过度，特设计了档杆34，使其挡在槽口311两端，完成限位。

本发明通过设置第一支架4、第二支架13，以及第一线性模组6、第二线性模组9，可实现多点位取样，一次可取多个不同点的水样，节约了时间，提高了工作效率；通过设置夹具3，利用夹具3上的呈三角形状的挡块32，方便使挡块32卡接在卡台51底部，可实现与试管的自动装夹；另外，通过设置挡边41，且挡边41的截面形状也呈三角形设置，利用挡边41的斜面实现对挡块的挤压，从而实现挡块32的旋转，挡块32旋转过后不再对卡台51限位，试管可从两挡块32之间落下，从而完成试管放置在第一支架4上，结构简单，设计巧妙、合理，实用性强。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种水环境监测用可自动夹装的取样装置，包括无人船，所述无人船上设置有用于放置试管的第一支架、第二支架；其特征在于，所述无人船上设置有纵向布设的第一线性模组，所述第一线性模组包括第一电机，所述第一线性模组上滑动连接有一底座，所述底座上方连接有横向设置的第二线性模组，所述第二线性模组包括第二电机，所述第二线性模组上滑动连接有滑块，所述滑块连接有一升降气缸，所述升降气缸连接有用于抓取试管的夹具；所述夹具包括壳体，所述壳体两侧开设有槽口，每个所述槽口内通过销轴各转动连接有呈三角状的挡块，所述销轴上设有扭力弹簧；所述试管的顶部外壁上设置有卡台；所述卡台卡接在两个所述挡块上；所述第二支架顶部两侧设置有与所述挡块相适配的挡边，所述挡边的截面形状也呈三角状设置；还包括设置在无人船上的控制器，所述控制器分别与所述第一电机、第二电机、升降气缸相电连并实施控制，所述控制器还通过无线通讯模块连接有控制终端。

2.根据权利要求1所述的一种水环境监测用可自动夹装的取样装置，其特征在于，所述无人船包括两并列设置的船体，两船体通过连接板相连，所述第一支架、第二支架、第一线性模组均设置在所述连接板上；所述连接板上开设有用于取水样的通槽。

3.根据权利要求2所述的一种水环境监测用可自动夹装的取样装置，其特征在于，所述第二线性模组包括导轨，所述滑块滑动设置在所述导轨上，所述导轨的一端设置有所述第二电机，所述第二电机连接有丝杠，所述丝杠通过丝杠螺母与所述滑块相连；所述导轨上设置有第一挡停开关、第二挡停开关、光电开关，所述滑块上连接有用于和所述光电开关相配套的挡板，所述第一挡停开关、第二挡停开关、光感开关均与所述控制器相电连。

4.根据权利要求3所述的一种水环境监测用可自动夹装的取样装置，其特征在于，所述挡块外壁上设置有用于实现限位的档杆。

5.一种水环境监测用取样方法，其特征在于，采用权利要求3-4任一项所述的一种水环境监测用可自动夹装的取样装置，包括以下步骤：

S1:初始状态下，升降气缸与第二挡停开关相接触，此时夹具正好位于第二支架的正上方；且第二支架上放置有若干试管，第一支架上不放置试管；在取样时，将无人船放入水域中并控制前行到相应取样点；

S2:到达取样点时，通过控制终端远程向控制器发送命令，控制器控制升降气缸带动夹具下移，试管上的卡台与挡块相接触并挤压挡块，挡块受力旋转，扭力弹簧产生弹力，卡台前进到挡块上方，此时挡块在扭力弹簧的作用下反方向旋转，恢复到初始状态，此时卡台的底部承压在挡块的顶部，实现对试管的限位，从而完成夹具对试管的夹取；

S3:夹取完成后，控制器控制升降气缸上移，将试管从第二支架中取出,直至上移到初始位置，然后控制器控制第二线性模组带动滑块左移，进而带动升降气缸向左滑动，当挡板遮挡住光感开关时，此时夹具正位于通槽的正上方，光感开关产生信号并发送至控制器，控制器接收到信号时控制第二线性模组停止工作，同时，控制升降气缸带动被夹取的试管下移，直至穿过通槽进入水域中完成取水；取水完成后控制升降气缸带动试管上移至初始位置；

S4:然后控制器控制第二线性模组带动升降气缸继续左移，当滑块与第一挡停开关碰触时，第一挡停开关产生信号并传递给控制器，控制器接收到信号后控制第二线性模组停止工作；然后控制器控制升降气缸下移，当挡块与第一支架上的挡边相接触时，由于挡边具有斜面，挡块沿着挡边的斜面下滑，由于两挡边之间的距离由上而下逐渐变窄，挡块产生旋转，不再对卡台产生限位，试管落下进入到第一支架中，完成试管的放置；

S5:试管放置完成后，控制器控制升降气缸上移至初始位置；然后控制第二线性模组带动滑块右移，直至滑块与第二挡停开关接触，回到最初始状态位置，此时，第一次取样工作全部完成；

S6:然后控制器控制第一线性模组工作，带动底座移动，夹具跟随底座移动直至移动到下一个试管的上方；

S7:控制无人船移动到下一个取样地点，重复步骤S1-S6，完成第二次取样工作；

S8:重复上述步骤S1-S7，直至全部的取样点取样完成。

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