CN116952649A - 一种多维度土壤采集与环境检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多维度土壤采集与环境检测装置及方法，用于玉米播种、施肥等阶段的土壤采集及其环境的检测；包括姿态调整机构、传动机构、取土机构和检测机构；所述姿态调整机构包括万向轮、驱动电机、万向轮连接架、调整杆、导轨、调整关节、舵机、调整座导轨杆、导轨梁和滑轮；所述传动机构包括丝杠侧杆、丝杠、丝杠轴承座、连接座、驱动电机、驱动电机、带轮、带轮、连接板、滑轮、法兰、轴承套环、轴承和法兰；本申请可以适应不同的复杂地形，能在水平面和竖直面进行多维度取土，入土、取土方便，能实现对不同深度和维度的土壤采集及其环境的检测。
Description
技术领域
本发明属于土壤采集及环境检测技术领域，涉及一种多维度土壤采集与环境检测装置及方法。
背景技术
玉米是世界上最重要的粮食作物之一，它的种植对于食品安全和农民的经济收入都具有重要意义。在玉米的生长过程中，播种和施肥是关键的阶段，而土壤采集和检测则具有重要的需求和意义。玉米播种阶段是确保种子顺利发芽并建立强壮植株的关键时期，土壤的质量和适宜的水分是玉米种子生长的基础。所以，了解土壤的养分含量、pH值、结构和水分状况等信息，可以指导农民在播种前进行必要的调整和改善，以提高玉米的生长条件和产量。而且，在施肥阶段，合理施肥是保证玉米正常生长和获得高产的重要措施，通过对土壤进行采集和检测，可以准确了解土壤的养分含量，并根据检测结果制定合理的施肥方案，以满足玉米生长过程中对养分的需求。这不仅可以提高玉米的产量和品质，还可以避免养分过量施用导致的环境污染和资源浪费。因此，土壤采集与检测可以提供科学、精确的播种与施肥指导，更好地管理土壤养分、调整土壤pH值和改善土壤结构，及时发现土壤的问题和潜在风险，如土壤酸化、盐碱化等，提前预防和处理，保障土壤的健康和持久利用，从而提高玉米的抗病虫害能力和适应性，降低农药和化肥的使用量，促进农业可持续发展。所以设计一种土壤采集及其环境检测机构具有重要意义。现有的土壤取样机构通常由一根取土管和入土结构组成，可以完成对原状土的采集，但是这样的土壤采集工具存在一下问题：
1、现有土壤取样机构缺乏姿态调整装置，难以适应复杂的地形，且只能完成在一个水平二维平面内取土，对于竖直面的土壤难以采集。
2、取土管为直筒状结构，在入土、取土时取土管受土壤的阻力较大，因此大部分需要液压装置向下压取土管，不能满足轻量化的要求；
3、取土管为侧壁闭环结构，即若要将采集的新鲜土样取出，需要一个推杆向取土管的上端面或者下端面施力，而新鲜土样和管壁之间粘滞阻力较大，所以将新鲜土样推出时会对土壤进行压实，从而改变了土样原有的物理特性；
4、现有土壤取样工具只能采集土壤样品，缺乏对土壤表层以下的信息检测，这对后续研究无法提供更全面的数据。
为此，设计了一种多维度土壤采集与环境检测装置及方法，可以用于玉米播种和施肥等阶段的土壤采集及其环境的检测。
发明内容
本发明的目的是：针对以上技术问题，提供一种多维度土壤采集与环境检测装置及方法，可以适应不同的复杂地形，可以在水平面和竖直面多维度进行取土，传动效率高，入土、取土方便，能实现对不同深度和维度的土壤采集及其环境的检测。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种多维度土壤采集与环境检测装置，包括姿态调整机构1、传动机构2、取土机构3和检测机构4；
所述传动机构2架构于位姿调整机构1之上，通过位姿调整机构1支撑，取土机构3与传动机构2相连，通过传动机构2传动动力，检测机构4一部分置于传动机构2，另一部分置于取土机构3，两部分协调完成土壤环境检测。
所述姿态调整机构1包括万向轮101、车轮驱动电机102、万向轮连接架103、调整杆104、导轨105、调整关节106、舵机107、调整座108，导轨杆109、导轨梁110、滑轮111。所述车轮驱动电机102安装于万向轮连接架103，电机输出端与万向轮101轮毂固定连接，所述万向轮连接架103与调整杆104下端转动连接，所述调整杆104上端与调整座108转动连接，所述调整关节106与调整座108转动连接，所述舵机107若干，并与调整杆104下端、调整杆104上端和调整关节106连接，所述调整座108与导轨杆109固定连接，所述导轨梁110与导轨杆109滑动连接，所述滑轮111与导轨梁1110固定连接；
进一步的，所述调整杆104可绕万向轮连接架103、调整座108在平面直角坐标系内转动，最大摆角为150°，通过舵机107控制调整杆104上端和下端的输出摆角组合，实现装置不同位姿的调整，所述调整关节106可绕调整座108转动，最大摆角为90°，一个调整关节106由三个子调整关节组成，子调整关节之间通过舵机107连接，最大摆角为120°，通过舵机107控制子调整关节输出摆角组合，实现调整关节106不同的固定姿态。
进一步的，所述传动机构2包括丝杠侧杆201、丝杠202、丝杠轴承座203、连接座204、第一驱动电机2051、驱动电机2052、第一带轮2061、第二带轮2062、连接板206、滑轮207、第一法兰208、轴承套环209、轴承210、第二法兰211。所述丝杠侧杆201顶端与连接板206固定连接，底端与丝杠轴承座203固定连接，所述丝杠202顶端与第二带轮2062轮毂固定连接，底端与丝杠轴承座203转动连接，所述连接座204与第二法兰211固定连接，所述第一驱动电机2051与连接座204固定连接，所述第一驱动电机2051输出轴与第一带轮2061轮毂固定连接，所述滑轮207与连接板206固定连接，所述第一法兰208与第二法兰211固定连接，所述轴承套环209上表面与带轮转动连接，下表面与轴承210固定连接，所述轴承210与第二法兰211过盈配合；
进一步的，所述丝杠202的螺旋线2021螺距为10mm，圈数为30圈，螺旋半径为15mm，扭转角度为15°，螺旋线2021的数学表达式为：x =15*cos(15t)，y=15*sin(15t)，z=10t/(2π)，其中x、y、z均为空间直角坐标系中的坐标值，t为参数，且0≤t≤2π。丝杠202的滚珠凹槽2022截面为一种曲线，曲线数学表达式为：x=h+1.5*cos(t)，y=k+0.75sin(t)，其中x、y均为直角坐标系中的坐标值，（h，k）为曲线的中心坐标，t为参数，且3π/2≤t≤2π。
进一步的，所述取土机构3包括固定螺旋叶片301，滑动螺旋叶片302，外置取土管303，内置取土管304，拨土片305，弹性挡片306，紧定螺钉307，顶环308。
进一步的，所述滑动螺旋叶片302包含滑块3021，所述外置取土管303含有螺旋槽3031，挡槽3032，滑动槽3033，弹簧槽3034，合页槽3035，挡片槽3036，所述内置取土管304包括合页结构3041，合页立柱3042，滑槽3043，固定弹簧3044。
进一步的，所述固定螺旋叶片301通过螺旋槽3031与外置取土管303螺旋连接，所述滑动螺旋叶片302通过滑块3021在滑动槽3033内滑动，用于调节固定螺旋叶片301与滑动螺旋叶片302之间的螺距，所述内置取土管304通过合页槽3035在外置取土管303内壁滑动，所述弹性挡片306通过紧定螺钉307与内置取土管304固定连接，所述弹性挡片306通过挡片槽3036进入挡槽3032，实现外置取土管303与内置取土管304之间的固定连接，所述固定弹簧3044沿弹簧槽3034滑动，实现固定弹簧3044弹性势能的储存与释放，所述拨土片305含有刻度，在滑槽3043内滑动，实现将内置取土管304内壁土壤推出，所述顶环308与外置取土管303过盈配合，实现外置取土管303与顶环308的固定。
进一步的，所述外置取土管303刀口刃角3037为9°；所述固定螺旋叶片301与滑动螺旋叶片302的螺旋线3011数学表达式为：x=25*cos(t),y=35*sin(t),z=10t，其中x、y、z均为空间直角坐标系中的坐标值，0≤t≤10π；所述固定螺旋叶片301与滑动螺旋叶片302的截面3012为等腰弧面，轮廓曲线的数学表达式为：y=-10*x2，其中x、y均为直角坐标系中的坐标值，-1≤x≤1；所述滑动螺旋叶片302通过滑块3021在滑动槽3033内滑动，用于调节固定螺旋叶片301与滑动螺旋叶片302之间的螺距，可调整的螺距范围为20mm~40mm；所述外置取土管303外壁与内置取土管304内壁均涂有特殊减摩材料；所述内置取土管304为侧壁开环结构，可绕合页立柱3042开闭，闭环最小角度为0°，开环最大角度为180°。
进一步的，所述检测机构4包括视觉传感器401，检测装置402，微型传感器403；所述视觉传感器401与连接板206固定连接，检测装置402与连接座204固定连接，所述检测装置402包括探针4021，感压片4022，所述微型传感器403固定于外置取土管303靠近刀口表面；所述车轮驱动电机102、舵机107、第一驱动电机2051、驱动电机2052、视觉传感器401、检测装置402及微型传感器403均与上位机相连，实现整个装置的控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、姿态调整机构1可以根据地形调整姿态，使调整关节106固定在土壤内，增加了装置的稳定性与地形适应性，且可以根据采样需求调整调整杆104与调节关节106的各个摆角，使装置不仅可以在水平面内采集土壤，还可以在竖直面内采集，增加了土壤采集的维度。
2、丝杠202的滚珠凹槽为一种曲线，宽度大于滚珠直径，有效避免了丝杠在传动过程中滚珠与凹槽之间卡死的现象，与传统的丝杠相比可以传递更大的轴向力，从而不必使用大功率电机为其提供扭矩，降低了动力源功率，可以满足轻量化的需求。
3、固定螺旋叶片301通过螺旋槽3031与外置取土管303螺旋配合，方便螺旋叶片磨损时易更换；取土机构3设置的刀口刃角3037为9°，是最适角度，既减小了取土机构3入土时的阻力，又保证了刀口的强度可以承受土壤压力；固定螺旋叶片301与滑动螺旋叶片302的横截面为等腰弧面，可以保证外壁土壤均匀向上排出，保证取土过程的稳定性；固定螺旋叶片301与滑动螺旋叶片302之间螺距可调，可以根据土壤质地控制取土效率，保护装置不被损坏；外置取土管303外壁和内置取土管304内壁均涂抹了特殊减摩材料，可以减小取土阻力。
4、内置取土管304装入外置取土管303时，固定弹簧3044被压缩从而储存弹性势能，弹性挡片306卡在滑动槽3033里面，使内置取土管304固定在外置取土管303内壁，当完成土壤采集后按下弹性挡片306，固定弹簧3044释放弹性势能将内置取土管304弹出，解决了土壤过重而导致内置取土管304不易取出的问题。
5、内置取土管304为开环结构，可以绕合页立柱3042转动，所以将土壤取出时可以先将其打开，通过拨土片305将土壤推出，减少了土壤与取土管内壁的接触面积，且可以据需要按照拨土片305上的刻度进行切取，避免了对土壤的压实，可以进一步保证土样原有的物理性状。
6、取土管在土壤中向下移动并回转的同时可以完成对土壤内部三维模型的扫描，视觉传感器401与检测装置402可以在取土的同时完成对土壤环境信息的检测，并将采集的数据传至上位机进行处理，能满足精准农业的需求，大大减少劳动的投入。
附图说明
图1是本发明多维度土壤采集与环境检测装置的结构示意图；
图2是本发明装置的传动机构、取土机构和检测装置的部分爆炸结构示意图；
图3是本发明取土机构的轴侧图；
图4是本发明取土机构的平视图。
其中的附图标记为：
1姿态调整机构
101万向轮 102车轮驱动电机 103万向轮连接架 104调整杆 105导轨 106调整关节 107舵机 108调整座 109导轨杆 110导轨梁 111第一滑轮
2传动机构
201丝杠侧杆 202丝杠 2021螺旋线 2022滚珠凹槽 203丝杠轴承座 204连接座2051第一驱动电机2052第二驱动电机206连接板 2061第一带轮2062第二带轮207第二滑轮208第一法兰209轴承套环210轴承211第二法兰
3取土机构
301固定螺旋叶片 3011螺旋线 3012截面302滑动螺旋叶片 3021滑块303外置取土管 3031螺旋槽 3032挡槽 3033滑动槽 3034弹簧槽 3035合页槽 3036挡片槽 3037刀口刃角 304内置取土管 3041合页结构 3042合页立柱 3043滑槽 3044固定弹簧 305拨土片306弹性挡片 307紧定螺钉 308顶环
4检测机构
401视觉传感器 4021探针 4022感压片 402检测装置 403微型传感器
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种多维度土壤采集与环境检测装置，包括姿态调整机构1、传动机构2、取土机构3和检测机构4。
一种多维度土壤采集与环境检测装置，包括姿态调整机构1、传动机构2、取土机构3和检测机构4；
进一步的，所述传动机构2架构于位姿调整机构1之上，通过位姿调整机构1支撑，取土机构3与传动机构2相连，通过传动机构2传动动力，检测机构4一部分置于传动机构2，另一部分置于取土机构3，两部分协调完成土壤环境检测。
进一步的，所述姿态调整机构1包括万向轮101、车轮驱动电机102、万向轮连接架103、调整杆104、导轨105、调整关节106、舵机107、调整座108，导轨杆109、导轨梁110、滑轮111。所述车轮驱动电机102安装于万向轮连接架103，电机输出端与万向轮101轮毂固定连接，用于驱动万向轮101旋转，所述万向轮连接架103与调整杆104下端转动连接，调整杆104可绕万向轮连接架103在二维平面内回转，所述调整杆104上端与调整座108转动连接，可绕调整座108在二维平面内回转，所述调整关节106与调整座108转动连接，所述舵机107若干，并与调整杆104下端、调整杆104上端和调整关节106连接，用于调整输出摆角，所述调整座108与导轨杆109固定连接，所述导轨梁110与导轨杆109滑动连接，使传动机构2和取土机构3可以在二维平面内移动，所述滑轮111与导轨梁110固定连接；
进一步的，所述调整杆104可绕万向轮连接架103、调整座108在平面直角坐标系内转动，最大摆角为150°，通过舵机107控制调整杆104上端和下端的输出摆角组合，实现装置不同位姿的调整，所述调整关节106可绕调整座108转动，最大摆角为90°，一个调整关节106由三个子调整关节组成，子调整关节之间通过舵机107连接，最大摆角为120°，通过舵机107控制子调整关节输出摆角组合，实现调整关节106不同的固定姿态。
进一步的，所述传动机构2包括丝杠侧杆201、丝杠202、丝杠轴承座203、连接座204、第一驱动电机2051、第二驱动电机2052、带轮2061、带轮2062、连接板206、滑轮207、第一法兰208、轴承套环209、轴承210、第二法兰211。所述丝杠侧杆201顶端与连接板206固定连接，底端与丝杠轴承座203固定连接，所述丝杠202顶端与第二带轮2062轮毂固定连接，底端与丝杠轴承座203转动连接，所述连接座204与第二法兰211固定连接，所述第一驱动电机2051与连接座204固定连接，所述驱动电机2051输出轴与第一带轮2061轮毂固定连接，所述滑轮207与连接板206固定连接，所述第一法兰208与第二法兰211固定连接，所述轴承套环209上表面与带轮转动连接，下表面与轴承210固定连接，所述轴承210与第二法兰211过盈配合；
进一步的，所述丝杠202的螺旋线2021螺距为10mm，圈数为30圈，螺旋半径为15mm，扭转角度为15°，螺旋线2021的数学表达式为：x =15*cos(15t)，y=15*sin(15t)，z=10t/(2π)，其中x、y、z均为空间直角坐标系中的坐标值，t为参数，且0≤t≤2π。丝杠202的滚珠凹槽2022截面为一种曲线，曲线数学表达式为：x=h+1.5*cos(t)，y=k+0.75sin(t)，其中x、y均为直角坐标系中的坐标值，（h，k）为曲线的中心坐标，t为参数，且3π/2≤t≤2π，曲线形状非圆形，可以使滚珠凹槽2022宽度大于滚珠。
进一步的，所述取土机构3包括固定螺旋叶片301，滑动螺旋叶片302，外置取土管303，内置取土管304，拨土片305，弹性挡片306，紧定螺钉307，顶环308。
进一步的，所述滑动螺旋叶片302包含滑块3021，所述外置取土管303含有螺旋槽3031，挡槽3032，滑动槽3033，弹簧槽3034，合页槽3035，挡片槽3036，所述内置取土管304包括合页结构3041，合页立柱3042，滑槽3043，固定弹簧3044。
进一步的，所述固定螺旋叶片301通过螺旋槽3031与外置取土管303螺旋连接，所述滑动螺旋叶片302通过滑块3021在滑动槽3033内滑动，用于调节固定螺旋叶片301与滑动螺旋叶片302之间的螺距，所述内置取土管304通过合页槽3035在外置取土管303内壁滑动，所述弹性挡片306通过紧定螺钉307与内置取土管304固定连接，所述弹性挡片306通过挡片槽3036进入挡槽3032，实现外置取土管303与内置取土管304之间的固定连接，所述固定弹簧3044沿弹簧槽3034滑动，实现固定弹簧3044弹性势能的储存与释放，所述拨土片305含有刻度，在滑槽3043内滑动，实现将内置取土管304内壁土壤推出，所述顶环308与外置取土管303过盈配合，实现外置取土管303与顶环308的固定。
进一步的，所述外置取土管303刀口刃角3037为9°；所述固定螺旋叶片301与滑动螺旋叶片302的螺旋线3011数学表达式为：x=25*cos(t),y=35*sin(t),z=10t，其中x、y、z均为空间直角坐标系中的坐标值，0≤t≤10π；所述固定螺旋叶片301与滑动螺旋叶片302的截面3012为等腰弧面，轮廓曲线的数学表达式为：y=-10*x2，其中x、y均为直角坐标系中的坐标值，-1≤x≤1；所述滑动螺旋叶片302通过滑块3021在滑动槽3033内滑动，用于调节固定螺旋叶片301与滑动螺旋叶片302之间的螺距，可调整的螺距范围为20mm~40mm；所述外置取土管303外壁与内置取土管304内壁均涂有特殊减摩材料；所述内置取土管304为侧壁开环结构，可绕合页立柱3042开闭，闭环最小角度为0°，开环最大角度为180°。
进一步的，所述检测机构4包括视觉传感器401，检测装置402，微型传感器403；所述视觉传感器401与连接板206固定连接，检测装置402与连接座204固定连接，所述检测装置402包括探针4021，感压片4022，所述微型传感器403固定于外置取土管303靠近刀口表面；所述车轮驱动电机102、舵机107、驱动电机2051、第二驱动电机2052、视觉传感器401、检测装置402及微型传感器403均与上位机相连，实现整个装置的控制。
具体的，一种多维度土壤采集与环境检测装置，包括姿态调整机构1、传动机构2、取土机构3和检测机构4，所述传动机构2架构于位姿调整机构1之上，通过位姿调整机构1支撑，取土机构3与传动机构2相连，并通过传动机构2传动动力，检测机构4一部分置于传动机构2，另一部分置于取土机构3，两部分协调完成土壤环境检测；
所述姿态调整机构1包括万向轮101、车轮驱动电机102、万向轮连接架103、调整杆104、导轨105、调整关节106、舵机107、调整座108、导轨杆109、导轨梁110、第一滑轮111，所述车轮驱动电机102安装于万向轮连接架103，车轮驱动电机102输出端与万向轮101轮毂固定连接，所述万向轮连接架103与调整杆104下端转动连接，所述调整杆104上端与调整座108转动连接，导轨105设置于调整杆104侧部，所述调整关节106上端与调整座108转动连接，所述舵机107若干，并与调整杆104下端、调整杆104上端和调整关节106连接，一个调整关节106由三个子调整关节组成，子调整关节之间通过舵机107连接，所述调整座108上端与导轨杆109固定连接，所述导轨梁110与导轨杆109通过第一滑轮111滑动连接，所述第一滑轮111与导轨梁110端部固定连接，所述调整杆104可绕万向轮连接架103、调整座108在平面直角坐标系内转动，通过舵机107控制调整杆104和调整关节106输出多种摆角组合。
所述取土机构3包括固定螺旋叶片301，滑动螺旋叶片302，外置取土管303，内置取土管304，拨土片305，弹性挡片306，紧定螺钉307，顶环308；所述滑动螺旋叶片302包括滑块3021，所述外置取土管303包括螺旋槽3031、挡槽3032、滑动槽3033、弹簧槽3034、合页槽3035、挡片槽3036，所述内置取土管304包括合页结构3041、合页立柱3042、滑槽3043、固定弹簧3044，内置取土管304为侧壁开环结构，两部分通过合页结构3041连接，可绕合页立柱3042开闭，外置取土管303外壁周侧设置有螺旋槽3031，顶部设置有滑动槽3033和挡槽3032，所述固定螺旋叶片301通过螺旋槽3031设置于外置取土管303周侧，所述滑动螺旋叶片302通过滑块3021在滑动槽3033内滑动，用于调节固定螺旋叶片301与滑动螺旋叶片302之间的螺距，外置取土管303内壁设置有合页槽3035和挡片槽3036，所述内置取土管304通过合页槽3035在外置取土管303内壁滑动，所述弹性挡片306通过紧定螺钉307与内置取土管304固定连接，所述弹性挡片306通过挡片槽3036进入挡槽3032，实现外置取土管303与内置取土管304之间的卡合连接，内置取土管304外壁上设置有固定弹簧3044，所述固定弹簧3044沿弹外置取土管303内壁的弹簧槽3034滑动，实现固定弹簧3044弹性势能的储存与释放，内置取土管304上设置有滑槽3043，含有刻度的拨土片305在滑槽3043内滑动，实现将内置取土管304内壁土壤推出，所述顶环308与外置取土管303端部过盈配合。
所述传动机构2包括丝杠侧杆201、丝杠202、丝杠轴承座203、连接座204、第一驱动电机2051、第二驱动电机2052、第一带轮2061、第二带轮2062、连接板206、第二滑轮207、第一法兰208、轴承套环209、轴承210、第二法兰211；所述丝杠侧杆201顶端与连接板206固定连接，底端与丝杠轴承座203固定连接，所述丝杠202顶端与第二带轮2062轮毂固定连接，底端与丝杠轴承座203转动连接，所述连接座204与第二法兰211固定连接，所述第一驱动电机2051与连接座204固定连接，第一驱动电机2051通过第一带轮2061与取土机构3传动连接，第二驱动电机2052通过第二带轮2062与丝杠202传动连接，所述第二滑轮207与连接板206固定连接，所述第一法兰208与第二法兰211固定连接，所述轴承套环209上表面与第二带轮2062转动连接，下表面与轴承210固定连接，所述210与第二法兰211过盈配合。
所述丝杠202的螺旋线的螺距为10mm，圈数为30圈，螺旋半径为15mm，扭转角度为15°，丝杠螺旋线的数学表达式为：x =15*cos(15t)，y=15*sin(15t)，z=10t/(2π)，其中x、y、z均为空间直角坐标系中的坐标值，t为参数，且0≤t≤2π；丝杠202的滚珠凹槽2022截面为一种曲线，曲线数学表达式为：x=h+1.5*cos(t)，y=k+0.75sin(t)，其中x、y均为直角坐标系中的坐标值，（h，k）为曲线的中心坐标，t为参数，且3π/2≤t≤2π。
所述外置取土管303的刀口刃角3037为9°，所述固定螺旋叶片301与滑动螺旋叶片302的螺旋线数学表达式为：x=25*cos(t),y=35*sin(t),z=10t，其中x、y、z均为空间直角坐标系中的坐标值，0≤t≤10π；所述固定螺旋叶片301与滑动螺旋叶片302的截面3012为等腰弧面，轮廓曲线的数学表达式为：y=-10*x2，其中x、y均为直角坐标系中的坐标值，-1≤x≤1；固定螺旋叶片301与滑动螺旋叶片302之间的螺距的可调整范围为20mm~40mm；所述外置取土管303外壁与内置取土管304内壁均涂有特殊减摩材料；所述内置取土管304为侧壁开环结构，可绕合页立柱3042开闭，闭环最小角度为0°，开环最大角度为180°。
所述检测机构4包括视觉传感器401、检测装置402、微型传感器403；所述视觉传感器401与连接板206固定连接，检测装置402与连接座204固定连接，所述检测装置402包括探针4021、感压片4022，所述微型传感器403固定于外置取土管303上靠近刀口表面；所述车轮驱动电机102、舵机107、第一驱动电机2051、第二驱动电机2052、视觉传感器401、检测装置402及微型传感器403均与上位机相连，实现整个装置的控制。
一种使用一种多维度土壤采集与环境检测装置的方法，所述方法包括如下步骤：
S1、将闭环的内置取土管304沿合页槽3035装入外置取土管303，并将外置取土管303装入顶环308，完成取土的准备工作；其中内置取土管304沿合页槽3035装入外置取土管303时，弹性挡片306在挡片槽3036的压力下沿径向方向压缩，弹性挡片306全部滑入滑动槽3033时，弹性挡片306沿径向方向复位，并卡住滑动槽3033，使内置取土管304不能沿外置取土管303轴向方向移动，与此同时，固定弹簧3044沿弹簧槽3034移动，触碰外置取土管303内壁上的挡板后压缩并储存弹性势能；
S2、上位机控制车轮驱动电机102输出轴回转，驱动多维度土壤采集与环境检测装置移动到待取样上方或附近，舵机107控制调整杆104呈现不同的摆角组合，实现整个装置姿态的调整以适应取样环境，驱动调整座108向下移动并控制调整关节106呈现不同的摆角组合，实现调整关节106固定于取样环境，最终稳定固定整个装置；
S3、第二驱动电机2052带动第二带轮2062同步转动，第二带轮2062带动丝杠202同步回转，丝杠202驱动连接座204向下移动，固定于连接座204上的取土机构3随连接座204向下移动，与此同时，第一驱动电机2051通过第一带轮2061带动取土机构3回转；
S4、所述取土机构3向下移动和回转时，微型传感器403扫描所经过的土壤内部环境并形成三维立体视图呈现至上位机，外置取土管303外壁周围土壤沿固定螺旋叶片301和滑动螺旋叶片302向上移动，内置取土管304内壁土壤沿内壁向上移动，通过调节滑块3021在滑动槽3033中的位置来调整固定螺旋叶片301与滑动螺旋叶片302间的螺距，进而控制取土的效率；
S5、连接座204向下移动时带动检测装置402向下移动，探针4021进入土壤后，探针内特殊电极采集土壤电容、pH值电势和对照电势数据，感压片4022采集压力数据，视觉传感器401采集土壤图像和温度数据；
S6、当取土机构3到达设置取土深度后，第二驱动电机2052和第一驱动电机2051反转，带动取土机构3反转，并向上移动到初始位置，完成土壤采集；
S7、取下外置取土管303，沿径向方向按压弹性挡片306，固定弹簧3044释放储存的弹性势能，内置取土管304被弹出，绕合页立柱3042打开内置取土管304，推动拨土片305沿滑槽3043滑动使环状土壤被推出，并可根据需求通过拨土片上的刻度实现对不同深度土壤的切取，完成此样点取样后，驱动第一滑轮111和第二滑轮207分别在导轨杆109和导轨梁110上滑动，使取土机构3在一个二维平面内移动至下一取样点，而不必移动整个装置，重复S1~S7所述步骤完成下一样点取样。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种多维度土壤采集与环境检测装置，包括姿态调整机构（1）、传动机构（2）、取土机构（3）和检测机构（4），其特征在于，所述传动机构（2）架构于位姿调整机构（1）之上，通过位姿调整机构（1）支撑，取土机构（3）与传动机构（2）相连，并通过传动机构（2）传动动力，检测机构（4）一部分置于传动机构（2），另一部分置于取土机构（3），两部分协调完成土壤环境检测；
所述姿态调整机构（1）包括万向轮（101）、车轮驱动电机（102）、万向轮连接架（103）、调整杆（104）、导轨（105）、调整关节（106）、舵机（107）、调整座（108）、导轨杆（109）、导轨梁（110）、第一滑轮（111），所述车轮驱动电机（102）安装于万向轮连接架（103），车轮驱动电机（102）输出端与万向轮（101）轮毂固定连接，所述万向轮连接架（103）与调整杆（104）下端转动连接，所述调整杆（104）上端与调整座（108）转动连接，导轨（105）设置于调整杆（104）侧部，所述调整关节（106）上端与调整座（108）转动连接，所述舵机（107）若干，并与调整杆（104）下端、调整杆（104）上端和调整关节（106）连接，一个调整关节（106）由三个子调整关节组成，子调整关节之间通过舵机（107）连接，所述调整座（108）上端与导轨杆（109）固定连接，所述导轨梁（110）与导轨杆（109）通过第一滑轮（111）滑动连接，所述第一滑轮（111）与导轨梁（110）端部固定连接，所述调整杆（104）可绕万向轮连接架103、调整座108在平面直角坐标系内转动，通过舵机（107）控制调整杆（104）和调整关节（106）输出多种摆角组合。
2.根据权利要求1所述的多维度土壤采集与环境检测装置，其特征在于，所述取土机构（3）包括固定螺旋叶片（301），滑动螺旋叶片（302），外置取土管（303），内置取土管（304），拨土片（305），弹性挡片（306），紧定螺钉（307），顶环（308）；所述滑动螺旋叶片（302）包括滑块（3021），所述外置取土管（303）包括螺旋槽（3031）、挡槽（3032）、滑动槽（3033）、弹簧槽（3034）、合页槽（3035）、挡片槽（3036），所述内置取土管（304）包括合页结构（3041）、合页立柱（3042）、滑槽（3043）、固定弹簧（3044），内置取土管（304）为侧壁开环结构，两部分通过合页结构（3041）连接，可绕合页立柱（3042）开闭，外置取土管（303）外壁周侧设置有螺旋槽（3031），顶部设置有滑动槽（3033）和挡槽（3032），所述固定螺旋叶片（301）通过螺旋槽（3031）设置于外置取土管（303）周侧，所述滑动螺旋叶片（302）通过滑块（3021）在滑动槽（3033）内滑动，用于调节固定螺旋叶片（301）与滑动螺旋叶片（302）之间的螺距，外置取土管（303）内壁设置有合页槽（3035）和挡片槽（3036），所述内置取土管（304）通过合页槽（3035）在外置取土管（303）内壁滑动，所述弹性挡片（306）通过紧定螺钉（307）与内置取土管（304）固定连接，所述弹性挡片（306）通过挡片槽（3036）进入挡槽（3032），实现外置取土管（303）与内置取土管（304）之间的卡合连接，内置取土管（304）外壁上设置有固定弹簧（3044），所述固定弹簧（3044）沿弹外置取土管（303）内壁的弹簧槽（3034）滑动，实现固定弹簧（3044）弹性势能的储存与释放，内置取土管（304）上设置有滑槽（3043），含有刻度的拨土片（305）在滑槽（3043）内滑动，实现将内置取土管（304）内壁土壤推出，所述顶环（308）与外置取土管（303）端部过盈配合。
3.根据权利要求2所述的多维度土壤采集与环境检测装置，其特征在于，所述传动机构（2）包括丝杠侧杆（201）、丝杠（202）、丝杠轴承座（203）、连接座（204）、第一驱动电机（2051）、第二驱动电机（2052）、第一带轮（2061）、第二带轮（2062）、连接板（206）、第二滑轮（207）、第一法兰（208）、轴承套环（209）、轴承（210）、第二法兰（211）；所述丝杠侧杆（201）顶端与连接板（206）固定连接，底端与丝杠轴承座（203）固定连接，所述丝杠（202）顶端与第二带轮（2062）轮毂固定连接，底端与丝杠轴承座（203）转动连接，所述连接座（204）与第二法兰（211）固定连接，所述第一驱动电机（2051）与连接座（204）固定连接，第一驱动电机（2051）通过第一带轮（2061）与取土机构（3）传动连接，第二驱动电机（2052）通过第二带轮（2062）与丝杠（202）传动连接，所述第二滑轮（207）与连接板（206）固定连接，所述第一法兰（208）与第二法兰（211）固定连接，所述轴承套环（209）上表面与第二带轮（2062）转动连接，下表面与轴承（210）固定连接，所述（210）与第二法兰（211）过盈配合。
4.根据权利要求3所述的多维度土壤采集与环境检测装置，其特征在于，所述丝杠（202）的螺旋线的螺距为10mm，圈数为30圈，螺旋半径为15mm，扭转角度为15°，丝杠螺旋线的数学表达式为：x =15*cos(15t)，y=15*sin(15t)，z=10t/(2π)，其中x、y、z均为空间直角坐标系中的坐标值，t为参数，且0≤t≤2π；丝杠（202）的滚珠凹槽（2022）截面为一种曲线，曲线数学表达式为：x=h+1.5*cos(t)，y=k+0.75sin(t)，其中x、y均为直角坐标系中的坐标值，（h，k）为曲线的中心坐标，t为参数，且3π/2≤t≤2π。
5.根据权利要求4所述的多维度土壤采集与环境检测装置，其特征在于，所述外置取土管（303）的刀口刃角（3037）为9°，所述固定螺旋叶片（301）与滑动螺旋叶片（302）的螺旋线数学表达式为：x=25*cos(t),y=35*sin(t),z=10t，其中x、y、z均为空间直角坐标系中的坐标值，0≤t≤10π；所述固定螺旋叶片（301）与滑动螺旋叶片（302）的截面（3012）为等腰弧面，轮廓曲线的数学表达式为：y=-10*x2，其中x、y均为直角坐标系中的坐标值，-1≤x≤1；固定螺旋叶片（301）与滑动螺旋叶片（302）之间的螺距的可调整范围为20mm~40mm；所述外置取土管（303）外壁与内置取土管（304）内壁均涂有特殊减摩材料；所述内置取土管（304）为侧壁开环结构，可绕合页立柱（3042）开闭，闭环最小角度为0°，开环最大角度为180°。
6.根据权利要求5所述的多维度土壤采集与环境检测装置，其特征在于，所述检测机构（4）包括视觉传感器（401）、检测装置（402）、微型传感器（403）；所述视觉传感器（401）与连接板（206）固定连接，检测装置（402）与连接座（204）固定连接，所述检测装置（402）包括探针（4021）、感压片（4022），所述微型传感器（403）固定于外置取土管（303）上靠近刀口表面；所述车轮驱动电机（102）、舵机（107）、第一驱动电机（2051）、第二驱动电机（2052）、视觉传感器（401）、检测装置（402）及微型传感器（403）均与上位机相连，实现整个装置的控制。
7.一种使用如权利要求6所述的一种多维度土壤采集与环境检测装置的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、将闭环的内置取土管（304）沿合页槽（3035）装入外置取土管（303），并将外置取土管（303）装入顶环（308），完成取土的准备工作；其中内置取土管（304）沿合页槽（3035）装入外置取土管（303）时，弹性挡片（306）在挡片槽（3036）的压力下沿径向方向压缩，弹性挡片（306）全部滑入滑动槽（3033）时，弹性挡片（306）沿径向方向复位，并卡住滑动槽（3033），使内置取土管（304）不能沿外置取土管（303）轴向方向移动，与此同时，固定弹簧（3044）沿弹簧槽（3034）移动，触碰外置取土管（303）内壁上的挡板后压缩并储存弹性势能；
S2、上位机控制车轮驱动电机（102）输出轴回转，驱动多维度土壤采集与环境检测装置移动到待取样上方或附近，舵机（107）控制调整杆（104）呈现不同的摆角组合，实现整个装置姿态的调整以适应取样环境，驱动调整座（108）向下移动并控制调整关节（106）呈现不同的摆角组合，实现调整关节（106）固定于取样环境，最终稳定固定整个装置；
S3、第二驱动电机（2052）带动第二带轮（2062）同步转动，第二带轮（2062）带动丝杠（202）同步回转，丝杠（202）驱动连接座（204）向下移动，固定于连接座（204）上的取土机构（3）随连接座（204）向下移动，与此同时，第一驱动电机（2051）通过第一带轮（2061）带动取土机构（3）回转；
S4、所述取土机构（3）向下移动和回转时，微型传感器（403）扫描所经过的土壤内部环境并形成三维立体视图呈现至上位机，外置取土管（303）外壁周围土壤沿固定螺旋叶片（301）和滑动螺旋叶片（302）向上移动，内置取土管（304）内壁土壤沿内壁向上移动，通过调节滑块（3021）在滑动槽（3033）中的位置来调整固定螺旋叶片（301）与滑动螺旋叶片（302）间的螺距，进而控制取土的效率；
S5、连接座（204）向下移动时带动检测装置（402）向下移动，探针（4021）进入土壤后，探针内特殊电极采集土壤电容、pH值电势和对照电势数据，感压片（4022）采集压力数据，视觉传感器（401）采集土壤图像和温度数据；
S6、当取土机构（3）到达设置取土深度后，第二驱动电机（2052）和第一驱动电机（2051）反转，带动取土机构（3）反转，并向上移动到初始位置，完成土壤采集；
S7、取下外置取土管（303），沿径向方向按压弹性挡片（306），固定弹簧（3044）释放储存的弹性势能，内置取土管（304）被弹出，绕合页立柱（3042）打开内置取土管（304），推动拨土片（305）沿滑槽（3043）滑动使环状土壤被推出，并可根据需求通过拨土片上的刻度实现对不同深度土壤的切取，完成此样点取样后，驱动第一滑轮（111）和第二滑轮（207）分别在导轨杆（109）和导轨梁（110）上滑动，使取土机构（3）在一个二维平面内移动至下一取样点，而不必移动整个装置，重复S1~S7所述步骤完成下一样点取样。
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