CN112595540B - 一种基于无人机平台的植物取样系统及其取样方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于无人机平台的植物取样系统及其取样方法。现有植物取样依靠人工。本发明由样本采集机械手、安全保障系统、连接组件和无人机平台组成；连接组件连接安全保障系统和无人机平台，安全保障系统底部连接样本采集机械手。本发明可进行复杂地理环境下作业，实现植物生长地的地理坐标信息、植物与生长环境图像信息，以及植物样本采集一整套功能，且样本采集机械手被勾住时，本发明通过电控式安全保障系统和机械式连接分离器组合而成的多级安全保障系统实现无人机平台安全返航保障。

Description

一种基于无人机平台的植物取样系统及其取样方法
技术领域
本发明属于植物取样设备领域，具体涉及一种能实现复杂地理环境下进行植物取样的植物取样系统及其取样方法。
背景技术
目前，植物取样是野外植物学调查与研究的重要手段。传统一般都是人工到达植物生长地点利用取样工具实施取样工作，但在悬崖峭壁、沼泽等复杂地理环境下，传统植物样本采集存在难度大、危险高等问题。因此设计一种解决复杂地理环境下的植物取样系统对野外植物的调查与研究具有重大意义。
发明内容
本发明的目的是针对目前植物取样系统及取样方法上存在的问题，提供一种基于无人机平台的植物取样系统及其取样方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明一种基于无人机平台的植物取样系统，由样本采集机械手、安全保障系统、连接组件和无人机平台组成；所述的样本采集机械手由机械手上连接座、轴承底座、导轨、联轴器、电机固定底座、驱动电机、滚珠丝杠、丝杠螺母、滑动板、连杆、抓取机械臂、刀片安装座和切割刀片组成；电机固定底座与机械手上连接座通过导轨固定；驱动电机的壳体固定在电机固定底座上；驱动电机的输出轴与滚珠丝杠通过联轴器连接；驱动电机由控制器控制；滚珠丝杠通过滚珠轴承支承在轴承底座上；轴承底座固定在机械手上连接座上；丝杠螺母与滚珠丝杠构成螺旋副；滑动板与丝杠螺母固定，并与导轨构成滑动副；四根连杆均分为两组，分设在滑动板两侧；连杆一端与滑动板铰接；其中一组的两根连杆另一端与一个抓取机械臂尾部外侧铰接，另一组的两根连杆另一端与另一个抓取机械臂尾部外侧铰接；两个抓取机械臂尾部内侧均与电机固定底座铰接；所述抓取机械臂的头部固定有刀片安装座，刀片安装座上固定切割刀片。
所述的安全保障系统由电控式安全保障系统和机械式连接分离器组成。所述的机械式连接分离器包括脱离连接件和预紧压缩机构；所述的预紧压缩机构包括控制盘、调节螺母、调节板、弹簧、顶柱、中间螺柱、连接螺栓和压缩板；所述的中间螺柱与控制盘固定；调节板和压缩板均套置在中间螺柱的光滑轴段处，两个调节螺母均与中间螺柱的螺纹轴段连接，且拉力传感器、压缩板、调节板、两个调节螺母和控制盘沿中间螺柱的轴向依次排序；两个调节螺母贴紧设置，且靠近调节板的调节螺母压紧调节板；所述的控制盘上固定有三根顶柱，每根顶柱嵌入压缩板上开设的对应一个滑动孔内；所述的调节板和压缩板均开设有n个过孔，n≥3，调节板上的每个过孔与压缩板上位置对应的一个过孔穿过一个连接螺栓，连接螺栓尾部连接有连接螺母，且连接螺栓上套有弹簧，弹簧两端分别由调节板和压缩板限位；所述的脱离连接件包括三爪卡盘支架、卡扣、扭簧和滑动销；三爪卡盘支架置于控制盘远离调节板的一侧；三个卡扣沿三爪卡盘支架的周向均布；所述卡扣的尾部与三爪卡盘支架铰接，并与三爪卡盘支架通过扭簧连接；所述卡扣的头部开设有销孔，销孔内间隙配合有滑动销，每个卡扣上的滑动销靠近压缩板的一端嵌入压缩板位置对应的一个滑动孔内；所述的电控式安全保障系统包括电磁铁和拉力传感器；所述的拉力传感器与中间螺柱固定；电磁铁与三爪卡盘支架固定，并与样本采集机械手的机械手上连接座相互吸附；拉力传感器的信号输出端与控制器连接，控制器控制电磁铁通断电。拉力传感器与无人机平台通过连接组件连接。
优选地，所述的连接组件由连接上基座、柔性线缆和连接下基座组成。所述的连接上基座与连接下基座通过柔性线缆连接；所述的连接下基座与安全保障系统的拉力传感器固定；连接上基座通过连接件固定在无人机平台上。
优选地，所述的无人机平台包括旋翼无人机；旋翼无人机上设有地理信息采集器和云台相机；地理信息采集器和云台相机的信号输出端均与控制器连接；所述的控制器与地面控制中心通讯。
该基于无人机平台的植物取样系统的取样方法，具体如下：
首先通过控制无人机平台定位到待取样植物的具体地理位置，并将样本采集机械手悬停在待取样植物上方，无人机平台采集植物生长地的地理坐标信息和植物与生长环境的图像信息；然后，样本采集机械手的驱动电机正转带动滚珠丝杠转动，使得丝杠螺母带动滑动板沿导轨滑动；滑动板滑动带动连杆，进而带动抓取机械臂张开；接着，控制无人机平台下降到样本采集机械手包络整个取样植物，驱动电机反转实现抓取机械臂闭合，此时两片切割刀片产生的切割力剪断待取样植物；最后，控制无人机平台返航，完成取样。取样完成后，若控制器根据拉力传感器的信号判断出无人机平台受载超过预设载荷，则控制电磁铁断电，使得机械手上连接座失去电磁铁的磁力吸附，样本采集机械手与无人机平台分离，保障无人机平台能安全返航；若电控式安全保障系统发生故障，且无人机平台受载增大到超过n根弹簧的预紧力总和时，顶柱顶开卡扣上的滑动销，在扭簧预紧力作用下卡扣脱离压缩板并绕三爪卡盘支架转动向外侧展开，实现样本采集机械手与无人机平台分离，保障无人机平台能安全返航。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明可进行复杂地理环境下作业，实现植物生长地的地理坐标信息、植物与生长环境图像信息，以及植物样本采集一整套功能。进一步，本发明通过设计滚珠丝杠副与滑块摇杆机构组合而成的新型机构，具备抓取切割一体化需求，而且整个结构简单。更进一步，样本采集机械手被勾住时，本发明通过电控式安全保障系统和机械式连接分离器组合而成的多级安全保障系统实现无人机平台安全返航保障。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明中样本采集机械手的结构示意图。
图3为本发明中机械手上连接座、导轨和驱动电机的装配示意图。
图4为本发明中安全保障系统的结构示意图。
图5为本发明中连接组件的结构示意图。
图6为本发明中无人机平台的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种基于无人机平台的植物取样系统，由样本采集机械手1、安全保障系统2、连接组件3和无人机平台4组成。
如图2和3所示，样本采集机械手1由机械手上连接座1-1、轴承底座1-2、导轨1-3、联轴器1-4、电机固定底座1-5、驱动电机1-6、滚珠丝杠1-7、丝杠螺母1-8、滑动板1-9、连杆1-10、抓取机械臂1-11、刀片安装座1-12和切割刀片1-13组成；电机固定底座1-5与机械手上连接座1-1通过导轨1-3固定；驱动电机1-6的壳体固定在电机固定底座1-5上；驱动电机1-6的输出轴与滚珠丝杠1-7通过联轴器1-4连接；驱动电机1-6由控制器控制；滚珠丝杠1-7通过滚珠轴承支承在轴承底座1-2上；轴承底座1-2固定在机械手上连接座1-1上；丝杠螺母1-8与滚珠丝杠1-7构成螺旋副；滑动板1-9与丝杠螺母1-8固定，并与导轨1-3构成滑动副；四根连杆1-10均分为两组，分设在滑动板1-9两侧；连杆1-10一端与滑动板1-9铰接；其中一组的两根连杆1-10另一端与一个抓取机械臂1-11尾部外侧铰接，另一组的两根连杆1-10另一端与另一个抓取机械臂1-11尾部外侧铰接；两个抓取机械臂1-11尾部内侧均与电机固定底座1-5铰接；抓取机械臂1-11头部固定有刀片安装座1-12，刀片安装座1-12上固定切割刀片1-13。可见，本发明样本采集机械手的传动部分是由滚珠丝杠副和滑块摇杆机构组成的新型机构，用以传递驱动电机的转矩，驱动电机1-6的驱动转矩经滑块摇杆机构和滚珠丝杠副驱动抓取机械臂1-11张开或闭合，以抓取植物，抓取植物的同时切割刀片1-13切割植物，实现抓取、切割一体化。
如图4所示，安全保障系统2由电控式安全保障系统和机械式连接分离器组成。机械式连接分离器包括脱离连接件和预紧压缩机构；预紧压缩机构包括控制盘2-6、调节螺母2-7、调节板2-8、弹簧2-9、顶柱2-10、中间螺柱2-11、连接螺栓2-12和压缩板2-13；中间螺柱2-11与控制盘2-6固定；调节板2-8和压缩板2-13均套置在中间螺柱2-11的光滑轴段处，两个调节螺母2-7均与中间螺柱2-11的螺纹轴段连接，且拉力传感器2-14、压缩板2-13、调节板2-8、两个调节螺母2-7和控制盘2-6沿中间螺柱2-11的轴向依次排序；两个调节螺母2-7贴紧设置，且靠近调节板2-8的调节螺母2-7压紧调节板2-8；控制盘2-6上固定有三根顶柱2-10，每根顶柱2-10嵌入压缩板2-13上开设的对应一个滑动孔内；调节板2-8和压缩板2-13均开设有n(优选n＝3)个过孔，调节板2-8上的每个过孔与压缩板2-13上位置对应的一个过孔穿过一个连接螺栓2-12，连接螺栓2-12尾部连接有连接螺母，且连接螺栓2-12上套有弹簧2-9，弹簧2-9两端分别由调节板2-8和压缩板2-13限位；脱离连接件包括三爪卡盘支架2-2、卡扣2-3、扭簧2-4和滑动销2-5；三爪卡盘支架2-2置于控制盘2-6远离调节板2-8的一侧；三个卡扣2-3沿三爪卡盘支架2-2的周向均布；卡扣2-3尾部与三爪卡盘支架2-2铰接，并与三爪卡盘支架2-2通过扭簧2-4连接；扭簧2-4用于克服卡扣2-3与压缩板2-13、卡扣2-3与三爪卡盘支架2-2间的摩擦力，辅助卡扣2-3与压缩板2-13分离；卡扣2-3头部开设有销孔，销孔内间隙配合有滑动销2-5，每个卡扣2-3上的滑动销2-5靠近压缩板2-13的一端嵌入压缩板2-13位置对应的一个滑动孔内；滑动销2-5实现卡扣2-3与预紧压缩机构连接，当三爪卡盘支架2-2受到的拉力值大于n根弹簧2-9的预紧力总和时，顶柱2-10顶开滑动销2-5，在扭簧2-4预紧力作用下卡扣脱离压缩板，卡扣2-3绕三爪卡盘支架2-2转动向外侧展开，实现与预紧压缩机构的分离；其中，通过调节螺母2-7调整调节板2-8与压缩板2-13之间的距离，可以改变弹簧2-9预紧力，实现机械式连接分离器不同分离阈值调节。电控式安全保障系统包括电磁铁2-1和拉力传感器2-14；拉力传感器2-14与中间螺柱2-11固定；电磁铁2-1与三爪卡盘支架2-2固定，并与样本采集机械手的机械手上连接座1-1(采用磁性材料)相互吸附；拉力传感器2-14的信号输出端与控制器连接，控制器控制电磁铁2-1通断电；拉力传感器与无人机平台通过连接组件连接。电控式安全保障系统和机械式连接分离器组成的安全保障系统从电控和机械两方面确保本发明在过载时能够自动抛掉样本采集机械手1，使无人机平台4安全返回。
作为优选实施例，如图5所示，连接组件3由连接上基座3-1、柔性线缆3-2和连接下基座3-3组成。连接上基座3-1与连接下基座3-3通过柔性线缆4-2连接；连接下基座4-3与安全保障系统2的拉力传感器2-14固定；连接上基座3-1可通过不同连接件搭载在无人机平台上。
作为优选实施例，如图6所示，无人机平台4包括旋翼无人机4-1；旋翼无人机4-1上设有地理信息采集器4-2和云台相机4-3；地理信息采集器4-2和云台相机4-3的信号输出端均与控制器连接；地理信息采集器4-2实时获取植物生长地的地理坐标信息，云台相机4-3获取植物与生长环境的图像信息；控制器与地面控制中心通讯，将地理坐标信息和图像信息传输给地面控制中心。
该基于无人机平台的植物取样系统的取样方法，具体如下：
首先通过控制无人机平台4定位到待取样植物的具体地理位置，并将样本采集机械手1悬停在待取样植物上方，无人机平台采集植物生长地的地理坐标信息和植物与生长环境的图像信息；然后，样本采集机械手1的驱动电机1-6正转带动滚珠丝杠1-7转动，使得丝杠螺母1-8带动滑动板1-9沿导轨1-3滑动；滑动板1-9滑动带动连杆1-10，进而带动抓取机械臂1-11张开；接着，控制无人机平台4下降到样本采集机械手1包络整个取样植物，驱动电机1-6反转实现抓取机械臂1-11闭合，此时两片切割刀片1-13产生的切割力剪断待取样植物；最后，控制无人机平台返航，完成取样。取样完成后，若控制器根据拉力传感器2-14的信号判断出无人机平台受载超过预设载荷(说明样本采集机械手1被勾住)，则控制电磁铁2-1断电，使得机械手上连接座1-1失去电磁铁2-1的磁力吸附，样本采集机械手1与无人机平台4分离，保障无人机平台4能安全返航；若电控式安全保障系统发生故障，且无人机平台受载增大到超过n根弹簧2-9的预紧力总和时，顶柱2-10顶开卡扣2-3上的滑动销2-5，在扭簧2-4预紧力作用下卡扣脱离压缩板并绕三爪卡盘支架2-2转动向外侧展开，实现样本采集机械手1与无人机平台4分离，保障无人机平台4能安全返航。

Claims (4)

1.一种基于无人机平台的植物取样系统，其特征在于：由样本采集机械手、安全保障系统、连接组件和无人机平台组成；所述的样本采集机械手由机械手上连接座、轴承底座、导轨、联轴器、电机固定底座、驱动电机、滚珠丝杠、丝杠螺母、滑动板、连杆、抓取机械臂、刀片安装座和切割刀片组成；电机固定底座与机械手上连接座通过导轨固定；驱动电机的壳体固定在电机固定底座上；驱动电机的输出轴与滚珠丝杠通过联轴器连接；驱动电机由控制器控制；滚珠丝杠通过滚珠轴承支承在轴承底座上；轴承底座固定在机械手上连接座上；丝杠螺母与滚珠丝杠构成螺旋副；滑动板与丝杠螺母固定，并与导轨构成滑动副；四根连杆均分为两组，分设在滑动板两侧；连杆一端与滑动板铰接；其中一组的两根连杆另一端与一个抓取机械臂尾部外侧铰接，另一组的两根连杆另一端与另一个抓取机械臂尾部外侧铰接；两个抓取机械臂尾部内侧均与电机固定底座铰接；所述抓取机械臂的头部固定有刀片安装座，刀片安装座上固定切割刀片；
所述的安全保障系统由电控式安全保障系统和机械式连接分离器组成；所述的机械式连接分离器包括脱离连接件和预紧压缩机构；所述的预紧压缩机构包括控制盘、调节螺母、调节板、弹簧、顶柱、中间螺柱、连接螺栓和压缩板；所述的中间螺柱与控制盘固定；调节板和压缩板均套置在中间螺柱的光滑轴段处，两个调节螺母均与中间螺柱的螺纹轴段连接，且拉力传感器、压缩板、调节板、两个调节螺母和控制盘沿中间螺柱的轴向依次排序；两个调节螺母贴紧设置，且靠近调节板的调节螺母压紧调节板；所述的控制盘上固定有三根顶柱，每根顶柱嵌入压缩板上开设的对应一个滑动孔内；所述的调节板和压缩板均开设有n个过孔，n≥3，调节板上的每个过孔与压缩板上位置对应的一个过孔穿过一个连接螺栓，连接螺栓尾部连接有连接螺母，且连接螺栓上套有弹簧，弹簧两端分别由调节板和压缩板限位；所述的脱离连接件包括三爪卡盘支架、卡扣、扭簧和滑动销；三爪卡盘支架置于控制盘远离调节板的一侧；三个卡扣沿三爪卡盘支架的周向均布；所述卡扣的尾部与三爪卡盘支架铰接，并与三爪卡盘支架通过扭簧连接；所述卡扣的头部开设有销孔，销孔内间隙配合有滑动销，每个卡扣上的滑动销靠近压缩板的一端嵌入压缩板位置对应的一个滑动孔内；所述的电控式安全保障系统包括电磁铁和拉力传感器；所述的拉力传感器与中间螺柱固定；电磁铁与三爪卡盘支架固定，并与样本采集机械手的机械手上连接座相互吸附；拉力传感器的信号输出端与控制器连接，控制器控制电磁铁通断电；拉力传感器与无人机平台通过连接组件连接。
2.根据权利要求1所述一种基于无人机平台的植物取样系统，其特征在于：所述的连接组件由连接上基座、柔性线缆和连接下基座组成；所述的连接上基座与连接下基座通过柔性线缆连接；所述的连接下基座与安全保障系统的拉力传感器固定；连接上基座通过连接件固定在无人机平台上。
3.根据权利要求1所述一种基于无人机平台的植物取样系统，其特征在于：所述的无人机平台包括旋翼无人机；旋翼无人机上设有地理信息采集器和云台相机；地理信息采集器和云台相机的信号输出端均与控制器连接；所述的控制器与地面控制中心通讯。
4.根据权利要求1、2或3所述一种基于无人机平台的植物取样系统的取样方法，其特征在于：该方法具体如下：
首先通过控制无人机平台定位到待取样植物的具体地理位置，并将样本采集机械手悬停在待取样植物上方，无人机平台采集植物生长地的地理坐标信息和植物与生长环境的图像信息；然后，样本采集机械手的驱动电机正转带动滚珠丝杠转动，使得丝杠螺母带动滑动板沿导轨滑动；滑动板滑动带动连杆，进而带动抓取机械臂张开；接着，控制无人机平台下降到样本采集机械手包络整个取样植物，驱动电机反转实现抓取机械臂闭合，此时两片切割刀片产生的切割力剪断待取样植物；最后，控制无人机平台返航，完成取样；取样完成后，若控制器根据拉力传感器的信号判断出无人机平台受载超过预设载荷，则控制电磁铁断电，使得机械手上连接座失去电磁铁的磁力吸附，样本采集机械手与无人机平台分离，保障无人机平台能安全返航；若电控式安全保障系统发生故障，且无人机平台受载增大到超过n根弹簧的预紧力总和时，顶柱顶开卡扣上的滑动销，在扭簧预紧力作用下卡扣脱离压缩板并绕三爪卡盘支架转动向外侧展开，实现样本采集机械手与无人机平台分离，保障无人机平台能安全返航。
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