CN114112516A - 一种水体质量采样机器人 - Google Patents

Abstract

本申请实施例涉及一种水体质量采样机器人，包括工作台、设在工作台顶面上的沉槽、设在工作台内的工作腔、设在工作台内的通道、设在工作腔内的卷扬机，卷扬机上的绳索从通道后连接在浮台上、可拆卸固定在浮台上的取样瓶、设在浮台上的驱动电缸、设在驱动电缸的活塞内的取样通道以及设在工作腔内控制器，控制器用于与上位机、卷扬机和驱动电缸进行数据交互。通道的第一端与沉槽的底面连通，第二端与工作腔连通。取样通道的第一端与活塞的端面连通，第二端与活塞的侧壁连通。驱动电缸的活塞能够插入到取样瓶内。本申请实施例公开的水体质量采样机器人，通过定点监控和不定时采样的方式来获取样品，有效提高了样品的及时性和准确性。

Description

一种水体质量采样机器人

技术领域

本申请涉及环境污染治理技术领域，尤其是涉及一种水体质量采样机器人。

背景技术

生产型企业的排污在水体污染中占有一定量的比例，随着监管的不断严格，企业排污趋于规范，但目前还是无法根治，尤其是工作人员采集样品时容易受到干扰，无法在第一时间得到样品。

发明内容

本申请实施例提供一种水体质量采样机器人，通过定点监控和不定时采样的方式来获取样品，有效提高了样品的及时性和准确性。

本申请实施例的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：

本申请实施例提供了一种水体质量采样机器人，包括：

工作台；

沉槽，设在工作台的顶面上；

工作腔，设在工作台内；

通道，设在工作台内，通道的第一端与沉槽的底面连通，通道的第二端与工作腔连通；

卷扬机，设在工作腔内，卷扬机上的绳索从通道后连接在浮台上；

取样瓶，可拆卸固定在浮台上；

驱动电缸，设在浮台上；

取样通道，设在驱动电缸的活塞内，取样通道的第一端与活塞的端面连通，取样通道的第二端与活塞的侧壁连通；以及

控制器，设在工作腔内，用于与上位机、卷扬机和驱动电缸进行数据交互；

其中，驱动电缸的活塞能够插入到取样瓶内；浮台提供的浮力大于浮台及附属的重力；卷扬机能够将浮台拉入到沉槽内。

在本申请实施例的一种可能的实现方式中，在靠近沉槽的底面的方向上，沉槽的截面积趋于减小。

在本申请实施例的一种可能的实现方式中，取样瓶的数量为多个，驱动电缸的数量与取样瓶的数量相同；

每个驱动电缸的活塞均能够插入到匹配的取样瓶内。

在本申请实施例的一种可能的实现方式中，还包括上浮装置，上浮装置包括：

气囊，设在工作台的底面或者侧面上；

压缩气瓶，设在工作腔（13）内；以及

电动阀门，输入端与压缩气瓶连接，输出端与气囊连接；

其中，电动阀门的控制端与控制器连接。

在本申请实施例的一种可能的实现方式中，工作台的底面或者侧面上设有凹槽；

气囊经过折叠后置入凹槽内。

在本申请实施例的一种可能的实现方式中，取样瓶包括：

瓶体，可拆卸固定在浮台上；以及

弹性瓶盖，设在瓶体上；

其中，驱动电缸的活塞能够穿过弹性瓶盖后插入到瓶体内。

在本申请实施例的一种可能的实现方式中，还包括：

泄压阀设在瓶体上；以及

拨杆设在泄压阀上且位于瓶体内部；

其中，拨杆用于开启泄压阀，拨杆位于驱动电缸的活塞的移动轨迹上。

在本申请实施例的一种可能的实现方式中，卷扬机上的绳索具有至少三个连接端，连接端与浮台的连接处均布在浮台的底面上。

附图说明

图1是本申请实施例提供的一种水体质量采样机器人的结构示意图。

图2是本申请实施例提供的一种工作台的内部结构示意图。

图3（A）是本申请实施例提供的一种取样瓶与驱动电缸的相对位置示意图。

图3（B）是本申请实施例提供的另一种取样瓶与驱动电缸的相对位置示意图。

图4是本申请实施例提供的一种取样瓶在浮台上的部署示意图。

图5是本申请实施例提供的另一种取样瓶在浮台上的部署示意图。

图6是本申请实施例提供的一种取样瓶的结构示意图。

图7是本申请实施例提供的一种取样瓶上泄压阀的开启示意图。

图8是本申请实施例提供的一种控制器的结构示意框图。

图中，11、工作台，12、沉槽，13、工作腔，14、通道，15、卷扬机，16、浮台，17、取样瓶，18、驱动电缸，19、通道，2、上浮装置，21、气囊，22、压缩气瓶，23、电动阀门，24、凹槽，171、瓶体，172、弹性瓶盖，173、泄压阀，174、拨杆，6、控制器，601、CPU，602、RAM，603、ROM，604、系统总线。

具体实施方式

以下结合附图，对本申请中的技术方案作进一步详细说明。

为了更加清楚的理解本申请中的技术方案，首先对工作人员的现场取样及相关情况进行简单介绍，河道或者水域处的采样有随机取样和按要求取样等方式，随机取样可以理解为抽查，不定期也不定时。按照要求取样可以理解为按照取样时间表格定期取样或者按照上级要求（抽查、举报电话和内部通知等）进行取样。

但是需要考虑到，部分工厂的排污较为隐蔽，不易发现，工作人员到达现场也需要一定的时间，再加上人工取样大多数情况下只能在白天进行等多种限制因素，导致样品与实际情况存在偏差。

本申请实施例公开的水体质量采样机器人，直接部署在水域（河道与河流等）的底部，通过接收上位机发送的指令，可以在任意时间和任意高度处进行取样，既解放了工作人员，又能够得到更加真实的水体样本。

请参阅图1，为本申请实施例公开的一种水体质量采样机器人，机器人由工作台11、沉槽12、工作腔13、通道14、卷扬机15、浮台16、取样瓶17、驱动电缸18和取样通道19等组成，具体而言，沉槽12开设在工作台11的顶面上，作用是容纳浮台16。

工作台11放置在水平面上时，与水平面直接接触的面为工作台11的底面，与底面相对的面为工作台11的顶面。在实际的使用过程中，工作台11的作用是沉入到水底，给卷扬机15、浮台16、取样瓶17和驱动电缸18等提供一个较为稳定的工作环境。

工作腔13位于工作台11内，作用是给卷扬机提供一个封闭的工作环境，卷扬机15由滚筒、缠绕在滚筒上的绳索和驱动电机组成，为了实现绳索长度可控的目的，驱动电机选择伺服电机。

请参阅图2，同时为了防水，工作腔13可以分为两个独立的部分，此处为了描述方便，将其分别称为密封腔和非密封腔，卷扬机15位于非密封腔内，伺服电机位于密封腔内，密封腔和非密封腔的一个腔壁是共用的，在这个共用的腔壁上安装有机械密封，伺服电机的转轴穿过机械密封后连接在滚筒的轴上，或者滚筒上的轴穿过机械密封后连接在伺服电机的转轴上。

伺服电机和滚筒都固定安装在工作腔13内，绳索的一端穿过通道14后从沉槽12伸出并连接在浮台16上，伺服电机工作时，能够通过绳索驱动浮台16向靠近和远离工作台11的方向移动。

为了描述方便，此处规定伺服电机顺时针转动时，绳索缠绕在滚筒上。需要进行取样时，伺服电机首先逆时针转动，滚筒上的绳索开始放出，浮台16从沉槽12中移出后持续浮起，向远离工作台11的方向移动。

浮台16上的取样瓶17和驱动电缸18完成取样工作后，伺服电机顺时针转动，此时绳索开始缠绕在滚筒上，也就是说浮台16与工作台11之间的绳索的长度开始缩短，浮台16开始向靠近工作台11的方向移动并被拉入到沉槽12内。

使用沉槽12的目的有两个，第一个是不进行取样时，绳索与浮台16的连接处位于浮台16的底面与沉槽12的底面之间，几乎不会受到水流波动的影响，降低了发生脱钩的风险；第二个是借助于沉槽12对浮台16和浮台16上的取样瓶17与驱动电缸18进行保护，降低水流持续冲刷产生的影响。

卷扬机15和驱动电缸18的工作均由控制器6控制，控制器6同样位于工作腔13内。另外，控制器6除了与卷扬机15和驱动电缸18进行数据交互，控制卷扬机15和驱动电缸18的工作外，还会与上位机进行数据通讯。

控制器6与上位机进行数据通讯的作用是根据上位机的指令驱动卷扬机15和驱动电缸18在任意时间和任意高度处进行取样。对于任意时间可以这样理解，工作人员使用上位机（电脑、手机和平板等能够联网的设备）在一天24小时的任何一个时间都能够向控制器6下发工作指令，也就是可以对监控位置处进行全天候的取样，不再受到距离和时间的限制，甚至可以实现在接到举报电话后立即对监控位置处进行取样。

对于任意高度可以这样理解，工作台11沉到水底时，浮台16也可以认为是在水底，如果浮台16上方的水体深度是三米，那么通过卷扬机15放出的绳索长度，就可以在水体深度的这三米范围的任意位置，也就是任意高度处进行取样，因为在一些情况下，水面的污染物浓度、水中的污染物浓度和水底的污染物浓度是不同的，在不同的高度处进行取样可以使样本的反馈更加真实。

取样过程中，驱动电缸18的活塞能够插入到取样瓶17内，此时，借助于驱动电缸18的活塞上的取样通道19，取样瓶17周围的水就能够流入到取样瓶17内，完成取样工作。

请参阅图3（A）和图3（B），取样通道19的第一端与活塞的端面连通，第二端与活塞的侧壁连通，驱动电缸18的活塞插入到取样瓶17内时，取样通道19的一端会进入到取样瓶17内，另一端位于取样瓶17外，此时取样通道19会将取样瓶17内外的空间连通，取样瓶17外的水就会顺着取样通道19流入到取样瓶17内。

同时为了保证浮台16能够顺利的浮起，浮台16提供的浮力要大于浮台16及附属的重力，也就是在取样瓶17内装满水的情况下，浮台16依然能够漂浮在水中。

整体而言，本申请实施例提供的水体质量采样机器人，使用定点部署和全天候待机的工作方式来代替人工取样，并且还可以在任意时间和任意高度处进行取样，灵活性更高，能够满足更多的使用需求。

一般而言，沉槽12的形状有矩形和圆形两种，沉槽12的形状为矩形时，沉槽12具有四个侧面和一个底面；沉槽12的形状为圆形时，沉槽12具有一个侧面和一个底面。

考虑到浮台16能够方便的落入到沉槽12内，作为申请提供的水体质量采样机器人的一种具体实施方式，在靠近沉槽12的底面的方向上，沉槽12的截面积趋于减小，也就是沉槽12的形状为矩形时，至少有一个侧面是斜面，沉槽12的形状为圆形时，其侧面为斜面。

斜面的作用主要是引导浮台16互动，因为浮台16在落入到沉槽12内时，首先会与沉槽12的侧面接触，如果与浮台16接触的沉槽12的侧面是一个斜面的话，就能够引导浮台16顺利的滑入到沉槽12内。

如果考虑到水流的影响，浮台16在升起的过程中除了在竖直方向上与工作台11的距离会增加外，在水平方向上与工作台11的距离会增加，在这种情况下拉动浮台16进入到沉槽12内时，可能会出现无法进入的情况。

因此，请参阅图1，作为申请提供的水体质量采样机器人的一种具体实施方式，将卷扬机15上的绳索的连接端的数量增加为三个及以上，此处也可以将绳索看作是由一节主体和多节子体组成的，子体的一端与主体连接，另一端固定在浮台16的底面上，并且子体与浮台16底面的连接处均布在浮台16底面上，这样可以使浮台16在浮起的过程中保持水平，不论是在静止的水中还是在流动的水中都能够落入到沉槽12内。

作为申请提供的水体质量采样机器人的一种具体实施方式，将取样瓶17的数量增加为多个，相应的，驱动电缸18的数量也要增加到与取样瓶17的数量相同。

举例说明，请参阅图4，浮台16的形状为矩形时，取样瓶17会在浮台16上排成一排或者两排；请参阅图5，浮台16的形状为圆形时，取样瓶17围绕浮台16的轴线在浮台16上圆形阵列。

驱动电缸18的摆放形式与取样瓶17的摆放形式保持一致，每一个驱动电缸18对应一个取样瓶17。

增加取样瓶17的作用是可以在一个时间段内进行多次采样，例如采样时间为半个小时，但是每次的采样高度都不一样。

请参阅图6，作为申请提供的水体质量采样机器人的一种具体实施方式，取样瓶17由瓶体171和弹性瓶盖172两部分组成，取样瓶17可拆卸固定在浮台16上，具体有以下几种方式，

第一种，浮台16上开设有与瓶体171形状相匹配的卡槽，瓶体171可以直接按入到卡槽内；

第二种，浮台16上开设有与瓶体171的截面形状相匹配的盲孔，瓶体171可以直接插入到盲孔内；

第三种，浮台16上安装有卡箍，瓶体171固定在卡箍上。

弹性瓶盖172安装在瓶体171的瓶口处，当驱动电缸18的活塞穿过弹性瓶盖172后插入到瓶体171内时，瓶体171外的水会流入到瓶体171内，弹性瓶盖172的活塞从弹性瓶盖172拔出时，弹性瓶盖172上的破口暂时愈合，将瓶体171内的空间封闭。

当然，还可以借助于驱动电缸18的活塞对弹性瓶盖172上的破口进行密封，具体而言，在取样完成后，驱动电缸18的活塞继续进入瓶体171，直至取样通道19的两个开放端均移动到瓶体171内部。当工作人员取走取样瓶17时，驱动电缸18的活塞才会从瓶体171内部移出。

进一步地，在瓶体171上增加了泄压阀173，泄压阀173的作用是排出瓶体171内的气体。应理解，如果仅使用取样通道19时，可能会出现瓶体171内的气体无法排出的情况。

因为在取样过程中，瓶体171外部的水要通过取样通道19流入瓶体171，瓶体171内部的空气要通过取样通道19从瓶体171流出，在某些特殊的情况下，取样通道19可能会出现堵塞现象。

泄压阀173的作用就是使瓶体171内部的空气能够顺利排出，这样，瓶体171外部的水就能够通过取样通道19顺利的流入到瓶体171内。

在一些可能的方式中，泄压阀173由阀体、安装在阀体上的单向透气膜和铰接在阀体上的阀盖三部分组成，阀盖与阀体的连接处安装有扭簧，扭簧的作用是使阀盖能够紧贴在阀体上，使阀体由开启状态转为封闭状态。

阀体安装在瓶体171上并连通瓶体171上内外的空间，阀盖位于瓶体171内，正常情况下，泄压阀173处于封闭状态。

请参阅图7，阀盖开启时的动力由拨杆174和驱动电缸18的活塞提供，拨杆174固定在阀盖上并位于驱动电缸18的活塞的移动轨迹上，当驱动电缸18的活塞插入到瓶体171内部时，会直接顶在拨杆174上并向拨杆174施加一个推力，迫使拨杆174摆动，拨杆174摆动时，阀盖会随着一起摆动，泄压阀173开启，瓶体171内的气体会通过单向透气膜排出。

取样完成后，驱动电缸18的活塞从瓶体171内拔出，拨杆174与阀盖复位，泄压阀173关闭。此处需要注意的是，使用带有泄压阀173的取样瓶17时，取样完成后，驱动电缸18的活塞需要从取样瓶17移出。

请参阅图2，作为申请提供的水体质量采样机器人的一种具体实施方式，在工作台11上增加了上浮装置2，上浮装置2的作用是使工作台11能够浮出水面，方便工作人员进行回收。

上浮装置2主要由气囊21、压缩气瓶22和电动阀门23三部分组成，气囊21位于工作台11的底面或者侧面上，压缩气瓶22位于工作腔13内，电动阀门23的输入端与压缩气瓶22连接，输出端与气囊21连接，作为压缩气瓶22的控制元件。

在一些可能的实现方式中，工作台11内设置有气道，气道的两端均设置有内螺纹，气囊21的连接端处有一节带有螺纹的连接管，可以拧在气道上，电动阀门23的输出端也可以通过螺纹与气道连接。

在另一些可能的实现方式中，工作台11内设置有气道，气囊21上有一节连接管，连接管穿过气道后连接在电动阀门23的输出端上。

当工作腔13分为两部分时，作为优选，压缩气瓶22和电动阀门23均位于密封腔内，气囊21与电动阀门23通过电邮螺纹的气道连接。

电动阀门23的控制端与控制器6连接，当控制器6接收到上浮指令时，会向电动阀门23下发一个开启指令，此时，电动阀门23由关闭状态转换为开启状态，压缩气瓶22内的气体进入到气囊21内，使得气囊21的体积迅速增大。

气囊21的体积增大后，受到的浮力也会迅速增加，然后拉动工作台11和浮台16等浮出水面。

进一步地，在工作台11的底面或者侧面上设置凹槽24，气囊21经过折叠后置入凹槽24内。

请参阅图8，应理解，控制器6可以是一个CPU，微处理器，ASIC，或一个或多个用于控制上述内容的程序执行的集成电路。控制器6主要由CPU601、RAM602、ROM603和系统总线604等组成，其中，CPU601，RAM602和ROM603均连接在系统总线604上。

卷扬机15的控制通过带有电磁阀的电路和换向器实现，使用伺服电机时，则需要通过伺服放大器对伺服电机下达相应的控制命令，这些都可以归结为控制电路。

驱动电缸18本身带有控制电路，只要将相应的控制指令发送给驱动电缸18自带的控制电路，就能够实现驱动电缸18的伸出与缩回。电动阀门23同样具备控制电路，其控制方式与驱动电缸18的控制方式相同，此处不再赘述。

驱动电缸18与电动阀门23均通过相应的通讯电路连接在系统总线604上。

另外，为了避免控制线路造成的影响，驱动电缸18上的控制电路与控制器6使用无线通讯的方式进行数据交互，在一些可能的实现方式中，无线通讯借助于蓝牙通讯模块实现。

控制器6、卷扬机15和电动阀门23工作时需要的电源部署在工作腔13内，驱动电缸18工作时需要的电源部署在浮台16上，这两个电源均为独立电源。

本具体实施方式的实施例均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种水体质量采样机器人，其特征在于，包括：

工作台（11）；

沉槽（12），设在工作台（11）的顶面上；

工作腔（13），设在工作台（11）内；

通道（14），设在工作台（11）内，通道（14）的第一端与沉槽（12）的底面连通，通道（14）的第二端与工作腔（13）连通；

卷扬机（15），设在工作腔（13）内，卷扬机（15）上的绳索从通道（14）后连接在浮台（16）上；

取样瓶（17），可拆卸固定在浮台（16）上；

驱动电缸（18），设在浮台（16）上；

取样通道（19），设在驱动电缸（18）的活塞内，取样通道（19）的第一端与活塞的端面连通，取样通道（19）的第二端与活塞的侧壁连通；以及

控制器（6），设在工作腔（13）内，用于与上位机、卷扬机（15）和驱动电缸（18）进行数据交互；

其中，驱动电缸（18）的活塞能够插入到取样瓶（17）内；浮台（16）提供的浮力大于浮台（16）及附属的重力；卷扬机（15）能够将浮台（16）拉入到沉槽（12）内。

2.根据权利要求1所述的一种水体质量采样机器人，其特征在于，在靠近沉槽（12）的底面的方向上，沉槽（12）的截面积趋于减小。

3.根据权利要求1所述的一种水体质量采样机器人，其特征在于，取样瓶（17）的数量为多个，驱动电缸（18）的数量与取样瓶（17）的数量相同；

每个驱动电缸（18）的活塞均能够插入到匹配的取样瓶（17）内。

4.根据权利要求1所述的一种水体质量采样机器人，其特征在于，还包括上浮装置（2），上浮装置（2）包括：

气囊（21），设在工作台（11）的底面或者侧面上；

压缩气瓶（22），设在工作腔（13）内；以及

电动阀门（23），输入端与压缩气瓶（22）连接，输出端与气囊（21）连接；

其中，电动阀门（23）的控制端与控制器（6）连接。

5.根据权利要求4所述的一种水体质量采样机器人，其特征在于，工作台（11）的底面或者侧面上设有凹槽（24）；

气囊（21）经过折叠后置入凹槽（24）内。

6. 根据权利要求1或3所述的一种水体质量采样机器人，其特征在于，取样瓶（17）包括：

瓶体（171），可拆卸固定在浮台（16）上；以及

弹性瓶盖（172），设在瓶体（171）上；

其中，驱动电缸（18）的活塞能够穿过弹性瓶盖（172）后插入到瓶体（171）内。

7. 根据权利要求6所述的一种水体质量采样机器人，其特征在于，还包括：

泄压阀（173）设在瓶体（171）上；以及

拨杆（174）设在泄压阀（173）上且位于瓶体（171）内部；

其中，拨杆（174）用于开启泄压阀（173），拨杆（174）位于驱动电缸（18）的活塞的移动轨迹上。

8.根据权利要求1所述的一种水体质量采样机器人，其特征在于，卷扬机（15）上的绳索具有至少三个连接端，连接端与浮台（16）的连接处均布在浮台（16）的底面上。

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