CN117091886B

CN117091886B - 一种山地土壤自动采样系统

Info

Publication number: CN117091886B
Application number: CN202311362625.8A
Authority: CN
Inventors: 陈绍华; 王秀丽; 黄强; 马万凤
Original assignee: Sichuan Mianyang Ecological Environment Monitoring Center Station
Current assignee: Sichuan Mianyang Ecological Environment Monitoring Center Station
Priority date: 2023-10-20
Filing date: 2023-10-20
Publication date: 2024-01-02
Anticipated expiration: 2043-10-20
Also published as: CN117091886A

Abstract

本发明公开一种山地土壤自动采样系统，涉及土壤采样技术领域，包括无人机、吊舱、存样单元、采样机器人。吊舱设于无人机下端。存样单元设于吊舱下端，包括若干存样机构，其上端开设有箱口，存样机构内设有多个存样槽，存样机构一侧设有用于将采样瓶放入存样槽的转移机构。采样机器人数量为多个，设于吊舱内，包括移动组件，L型箱上端面开设有两组放置槽，转盘上设有用于将瓶盖装到采样瓶上的加盖机构和竖直设置的第五直线机构，齿圈下端装配有内径与采样瓶内径匹配的取土器，第四旋转电机输出轴下端设有与齿圈啮合的齿轮，第十二直线机构输出轴下端设有压板。本发明的山地土壤自动采样系统可在复杂环境下方便、快速地获取土壤样品并进行储存。

Description

一种山地土壤自动采样系统

技术领域

本发明涉及土壤采样技术领域，尤其涉及一种山地土壤自动采样系统。

背景技术

《土壤污染防治行动计划》第一条明确要求持续开展全国土壤污染调查，掌握土壤环境质量状况，国家和省级环境主管部门统一规划土壤环境监测点位设置，涉及耕地、林地、草地、未利用地和建设用地，每年由省、市级监测部门组织开展一次土壤环境质量监测，是一项需要长期开展的例行工作，通常由监测人员携带采样及辅助工具现场开展采样工作，但其中大部分山区背景点位道路不畅，可达性差，依靠人工采样的方式，要耗费大量人力和时间，甚至部分点位来回采样可能要耗费几天时间，需要在山区露营，存在蛇虫兽、自然灾害等安全隐患，而且监测效率较为低下。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提供一种山地土壤自动采样系统，可在复杂环境下方便、快速地获取土壤样品并进行储存。

为了实现本发明的目的，拟采用以下技术：

一种山地土壤自动采样系统，包括：

无人机；

吊舱，设于无人机下端；

存样单元，设于吊舱下端，包括若干存样机构，其上端开设有箱口，存样机构内设有多个存样槽，存样机构一侧设有用于将采样瓶放入存样槽的转移机构；

多个采样机器人，设于吊舱内，包括移动组件，其上端设有L型箱，L型箱上端面开设有两组放置槽，一组放置槽用于放置采样瓶，另一组放置槽用于放置采样瓶的瓶盖，移动组件内设有竖直设置的第三旋转电机，其输出轴上端设有转盘，转盘上设有用于将瓶盖装到采样瓶上的加盖机构和竖直设置的第五直线机构，第五直线机构滑动端一侧设有第十直线机构，第十直线机构滑动端一侧设有竖直设置的第十一直线机构，第十一直线机构输出轴下端设有齿圈，齿圈下端装配有内径与采样瓶内径匹配的取土器，第十一直线机构一侧还设有竖直设置的第四旋转电机和竖直设置的第十二直线机构，第四旋转电机输出轴下端设有与齿圈啮合的齿轮，第十二直线机构输出轴下端设有延伸至取土器内的压板。

进一步，吊舱包括舱体，舱体至少一个侧面开设有可开闭的敞口，敞口一侧设有第一旋转电机，第一旋转电机输出轴一端设有与敞口匹配的舱门，舱体下端设有多个支腿。

进一步，存样机构数量为一对，两个存样机构的其中一个为冷藏箱。

进一步，存样机构一端设有第二旋转电机，第二旋转电机输出轴一端设有用于封闭存样机构上箱口的盖板。

进一步，转移机构包括第一直线机构，其滑动端一侧设有竖直设置的第二直线机构，第二直线机构输出轴上端设有第三直线机构，第三直线机构输出轴一端设有一对第四直线机构，第四直线机构输出轴一端设有用于夹持采样瓶的第一夹板。

进一步，移动组件包括底盘和驱动装置，第三旋转电机设于底盘内。

进一步，加盖机构包括L型板，L型板下部短边上设有竖直设置的第六直线机构，其输出轴上端设有第七直线机构，第七直线机构滑动端一侧设有第八直线机构，第八直线机构输出轴一端的下方设有一对第九直线机构，第九直线机构输出轴一端设有用于夹持瓶盖的第二夹板。

进一步，第十一直线机构输出轴下端设有升降框，齿圈设于升降框内，齿圈的下开口向下延伸有安装管，取土器装配于安装管下端，第四旋转电机和第十二直线机构均设于升降框上端。

进一步，取土器下端成形有锯齿部。

本技术方案的有益效果在于：

1、无人机便于到达包括山区在内的各种复杂环境，进行土壤采样，无人机降落后，多个采样机器人从吊舱中行进到各自的采样点，分别进行采样，先完成采样的采样机器人可以先返回存样单元附近进行存样，后完成采样的采样机器人后进行存样，存样单元的转移机构可以自动将采样机器人上的采样瓶转移到存样机构进行保存。

2、采样机器人在采样时也实现了自动操作，能够自动取土壤、将土壤放入采样瓶、对采样瓶加盖，并且可暂存多个土壤样品，因此本申请的山地土壤自动采样系统可以实现土壤获取、存储、转移全过程的自动化，可以解决人工采样费时费力，且具有一定危险性的问题。

附图说明

图1示出了本申请实施例整体立体图。

图2示出了本申请实施例吊舱、存样单元立体图。

图3示出了本申请实施例存样单元立体图。

图4示出了本申请实施例图3的A部分放大图。

图5示出了本申请实施例存样单元局部立体图。

图6示出了本申请实施例采样机器人立体图。

图7示出了本申请实施例采样机器人局部立体图一。

图8示出了本申请实施例采样机器人局部立体图二。

图9示出了本申请实施例另一角度观察的采样机器人立体图。

图10示出了本申请实施例采样机器人局部立体图三。

图11示出了本申请实施例采样机器人停放于两个存样机构之间时的立体图。

图中标记：无人机1、主体11、横杆12、竖杆13、螺旋桨14、吊舱2、舱体21、第一旋转电机22、舱门23、支腿24、存样单元3、吊板31、存样机构32、第二旋转电机321、盖板322、存样槽323、第一直线机构33、第二直线机构34、第三直线机构35、第一推板351、第四直线机构36、第一夹板37、延伸块371、弹簧38、采样机器人4、移动组件41、L型箱42、转盘43、L型板431、第五直线机构44、第十直线机构441、第十一直线机构442、第六直线机构45、第七直线机构451、第八直线机构452、第三推板453、第九直线机构46、第二夹板461、升降框47、齿圈471、安装管472、上开口473、取土器474、锯齿部475、第一安装板476、第二安装板477、第四旋转电机48、齿轮481、第十二直线机构49、压板491、采样瓶5、瓶盖51。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步说明。

如图1~图11所示的一种山地土壤自动采样系统，包括无人机1、吊舱2、存样单元3、采样机器人4。

如图1所示，无人机1包括主体11，主体11外周侧设有多个横杆12，横杆12一端设有竖杆13，竖杆13上设有螺旋桨14，具体地，在山区监测点位的斜坡上使用山地土壤自动采样系统前，需要开展点位标准化建设，提前搭建配套的无人机起降平台和进行周边清理。

如图1、图2所示，吊舱2设于无人机1下端，吊舱2包括设于主体11下端的舱体21，舱体21至少一个侧面开设有可开闭的敞口，敞口一侧设有第一旋转电机22，第一旋转电机22输出轴一端设有与敞口匹配的舱门23，舱体21下端设有多个支腿24，用于使山地土壤自动采样系统稳定地停放在无人机起降平台上，舱门23打开后，其一端可接触到无人机起降平台的表面，以形成连接舱体21与无人机起降平台的斜坡。

如图1~图5、图11所示，存样单元3设于吊舱2下端，存样单元3包括一对设于舱体21下端的吊板31，吊板31一侧面下部设有存样机构32，存样机构32上端开设有箱口，两个存样机构32的其中一个为冷藏箱，用于放玻璃瓶，另一个为普通存放箱，用于放聚合物瓶，具体地，聚合物瓶采用聚四氟乙烯瓶，吊板31一端面设有L型横架，L型横架一端设有第二旋转电机321，第二旋转电机321输出轴一端设有用于封闭存样机构32上箱口的盖板322，存样机构32内设有多个用于放采样瓶5的存样槽323，存样机构32一侧的外端设有L型竖架，两个L型竖架的下部横边之间设有横板，两个L型竖架上端之间设有第一直线机构33，其滑动端一侧设有竖直设置的第二直线机构34，第二直线机构34输出轴上端设有第三直线机构35，第三直线机构35输出轴一端设有形状为n型的第一推板351，第一推板351下端设有一对第一竖部，第一竖部下端设有第四直线机构36，第四直线机构36输出轴一端设有第二推板，第二推板一侧面设有第一夹板37，第一夹板37内侧下部用于夹持采样瓶5，第一夹板37内侧上部设有延伸块371，两个延伸块371之间设有弹簧38，弹簧38的设置，使得在第一夹板37下部对采样瓶5进行夹持时，两个第一夹板37的上端分别向外施加力，避免两个第一夹板37的下部之间被撑开，使采样瓶5滑落。

如图6~图11所示的采样机器人4，数量为多个，且设于吊舱2内，具体地，这些采样机器人4设于舱体21内，舱门23打开后，采样机器人4可从舱门23所形成的斜坡驶出，并到各采样点进行土壤采样，采样完成后，如图11所示，采样机器人4可停放至两个存样机构32之间的位置，由存样单元3将采样机器人4获取的土壤样品转移到存样机构32；采样机器人4包括移动组件41，移动组件41包括底盘和驱动装置，在本实施例中，驱动装置采用履带驱动机构，履带驱动机构为现有成熟技术，在本说明书中不展开描述，移动组件41上端设有L型箱42，L型箱42上端面开设有两组放置槽，一组放置槽用于放置采样瓶5，另一组放置槽用于放置采样瓶5的瓶盖51，底盘内设有竖直设置的第三旋转电机，其输出轴穿出底盘，且输出轴上端设有转盘43，转盘43上设有L型板431和竖直设置的第五直线机构44，L型板431下部短边上设有竖直设置的第六直线机构45，第六直线机构45输出轴上端设有第七直线机构451，第七直线机构451滑动端一侧设有第八直线机构452，第八直线机构452输出轴一端设有形状为n型的第三推板453，第三推板453下端设有一对第九直线机构46，第九直线机构46输出轴一端设有用于夹持瓶盖51的第二夹板461，第五直线机构44滑动端一侧设有支架，支架一端设有第十直线机构441，第十直线机构441滑动端一侧设有竖直设置的第十一直线机构442，第十一直线机构442输出轴下端设有升降框47，升降框47内开设有一对圆槽，升降框47上还开设有贯穿上下端面的通口和开设于上端面的圆口，升降框47内设有限位于一个圆槽的齿圈471，齿圈471的下开口向下延伸有安装管472，齿圈471的上开口473与升降框47的通口上端部匹配，安装管472下端装配有内径与采样瓶5内径匹配的取土器474，可根据需要装配金属材质或具有聚合物材质涂层的取土器474，具体地，聚合物材质涂层采用聚四氟乙烯或特氟龙涂层，取土器474下端成形有锯齿部475，便于更容易地钻进土壤，对于安装管472和取土器474的装配，更具体地，安装管472下端设有第一安装板476，取土器474上端设有第二安装板477，第一安装板476和第二安装板477分别上下贯穿地开设有若干螺孔，通过螺栓进行装配，升降框47上端还设有竖直设置的第四旋转电机48和竖直设置的第十二直线机构49，第四旋转电机48设于一个支座的侧面，第四旋转电机48输出轴下端设有限位于另一个圆槽且与齿圈471啮合的齿轮481，且第四旋转电机48输出轴穿过升降框47的圆口，第十二直线机构49输出轴下端设有穿设于齿圈471的上开口473，并可穿过安装管472延伸至取土器474内的压板491，压板491具有两个用途：在取土时提供下压力，便于土壤样品在取土器474内被压紧；取土器474完成一次采样后将土壤推入采样瓶5。

作为另一种实施方式，采样机器人4一端还可以设置杂草清理机构，包括竖直设置第五旋转电机和设于其输出轴下的割草刀片，用于点位的杂草清理。

在本实施例中，第一直线机构33、第五直线机构44、第七直线机构451、第十直线机构441均采用无杆直线气缸，第二直线机构34、第三直线机构35、第四直线机构36、第六直线机构45、第八直线机构452、第九直线机构46、第十一直线机构442、第十二直线机构49均采用单轴直线气缸。

优选地，本申请的山地土壤自动采样系统适用于多种用途的土壤采样，由于土壤采样后进行测试的类别不同，采样及存储部件需要采用的材质也不同。例如，某次采样需要同时采集一些土壤重金属检测样品，以及一些土壤有机农残检测样品。在部分采样机器人4装配具有聚四氟乙烯或特氟龙涂层的取土器474，以及在L型箱42预先放置具有聚四氟乙烯材质的采样瓶5，以避免材料对于重金属成分的吸附；在另一部分采样机器人4装配金属材质的取土器474，以及在L型箱42预先放置玻璃材质的采样瓶5，以避免有机物质逃逸；同样地，进行土壤有机农残检测的样品通常需要冷藏保存，因此将玻璃瓶放入采用冷藏箱的存样机构32内，将聚四氟乙烯瓶放入普通存放箱内。

工作方式：

无人机1降落至无人机起降平台，通过第一旋转电机22打开舱门23，采样机器人4出发到各自的采样位置。

采样机器人4到位后，通过第五直线机构44降下第十一直线机构442，再通过第十一直线机构442降下升降框47，通过第四旋转电机48转动齿轮481，使齿圈471带动取土器474旋转，取土器474钻入土壤进行取样，同时通过第十二直线机构49降下压板491，使压板491位于取土器474的预定高度，获取预定量的土壤。

获取土壤后，升起升降框47，通过第五直线机构44升起第十一直线机构442，直到取土器474下端高于采样瓶5上端，然后通过第三旋转电机转动取土器474，通过第十二直线机构49控制压板491将土壤推入采样瓶5，然后再通过第三旋转电机移开取土器474，使第二夹板461位于L型箱42上方，通过第六直线机构45、第七直线机构451、第八直线机构452移动第九直线机构46的位置，通过第九直线机构46使第二夹板461夹持瓶盖51，然后将瓶盖51盖到采样瓶5上，使采样瓶5封闭，以此类推，一个采样机器人4可以对多个采样点的土壤进行采样，并暂存。

采样机器人4完成多个土壤采样后，移动到存样单元3附近，且L型箱42靠近第一直线机构33，此时，可依次转移采样机器人4上的采样瓶5：通过第一直线机构33、第二直线机构34、第三直线机构35移动第一推板351，通过第四直线机构36控制第一夹板37夹取采样瓶5，移动到存样槽323内，通过第二旋转电机321可控制盖板322，封闭存样机构32，以此类推，将多个采样机器人4的采样瓶5进行转存。

存样单元3内放满土壤样品，或土壤样品数量达到预定数量后，采样机器人4返回吊舱2，无人机1飞回实验室进行样品测试。

以上仅为本申请列举的部分实施例，并不用于限制本申请。

Claims

1.一种山地土壤自动采样系统，其特征在于，包括：

无人机（1）；

吊舱（2），设于无人机（1）下端；

存样单元（3），设于吊舱（2）下端，包括若干存样机构（32），其上端开设有箱口，存样机构（32）内设有多个存样槽（323），存样机构（32）一侧设有用于将采样瓶（5）放入存样槽（323）的转移机构；

多个采样机器人（4），设于吊舱（2）内，包括移动组件（41），其上端设有L型箱（42），L型箱（42）上端面开设有两组放置槽，一组放置槽用于放置采样瓶（5），另一组放置槽用于放置采样瓶（5）的瓶盖（51），移动组件（41）内设有竖直设置的第三旋转电机，其输出轴上端设有转盘（43），转盘（43）上设有用于将瓶盖（51）装到采样瓶（5）上的加盖机构和竖直设置的第五直线机构（44），第五直线机构（44）滑动端一侧设有第十直线机构（441），第十直线机构（441）滑动端一侧设有竖直设置的第十一直线机构（442），第十一直线机构（442）输出轴下端设有升降框（47），升降框（47）内开设有一对圆槽，升降框（47）上还开设有贯穿上下端面的通口和开设于上端面的圆口，升降框（47）内设有限位于一个圆槽的齿圈（471），齿圈（471）的下开口向下延伸有安装管（472），齿圈（471）的上开口（473）与升降框（47）的通口上端部匹配，安装管（472）下端装配有内径与采样瓶（5）内径匹配的取土器（474），安装管（472）下端设有第一安装板（476），取土器（474）上端设有第二安装板（477），第一安装板（476）和第二安装板（477）分别上下贯穿地开设有若干螺孔，通过螺栓进行装配，升降框（47）上端还设有竖直设置的第四旋转电机（48）和竖直设置的第十二直线机构（49），第四旋转电机（48）设于一个支座的侧面，第四旋转电机（48）输出轴下端设有限位于另一个圆槽且与齿圈（471）啮合的齿轮（481），且第四旋转电机（48）输出轴穿过升降框（47）的圆口，第十二直线机构（49）输出轴下端设有穿设于齿圈（471）的上开口（473），并穿过安装管（472）延伸至取土器（474）内的压板（491）。

2.根据权利要求1所述的山地土壤自动采样系统，其特征在于，吊舱（2）包括舱体（21），舱体（21）至少一个侧面开设有可开闭的敞口，敞口一侧设有第一旋转电机（22），第一旋转电机（22）输出轴一端设有与敞口匹配的舱门（23），舱体（21）下端设有多个支腿（24）。

3.根据权利要求1所述的山地土壤自动采样系统，其特征在于，存样机构（32）数量为一对，两个存样机构（32）的其中一个为冷藏箱。

4.根据权利要求1所述的山地土壤自动采样系统，其特征在于，存样机构（32）一端设有第二旋转电机（321），第二旋转电机（321）输出轴一端设有用于封闭存样机构（32）上箱口的盖板（322）。

5.根据权利要求1所述的山地土壤自动采样系统，其特征在于，转移机构包括第一直线机构（33），其滑动端一侧设有竖直设置的第二直线机构（34），第二直线机构（34）输出轴上端设有第三直线机构（35），第三直线机构（35）输出轴一端设有一对第四直线机构（36），第四直线机构（36）输出轴一端设有用于夹持采样瓶（5）的第一夹板（37）。

6.根据权利要求1所述的山地土壤自动采样系统，其特征在于，移动组件（41）包括底盘和驱动装置，第三旋转电机设于底盘内。

7.根据权利要求1所述的山地土壤自动采样系统，其特征在于，加盖机构包括L型板（431），L型板（431）下部短边上设有竖直设置的第六直线机构（45），其输出轴上端设有第七直线机构（451），第七直线机构（451）滑动端一侧设有第八直线机构（452），第八直线机构（452）输出轴一端的下方设有一对第九直线机构（46），第九直线机构（46）输出轴一端设有用于夹持瓶盖（51）的第二夹板（461）。

8.根据权利要求1所述的山地土壤自动采样系统，其特征在于，取土器（474）下端成形有锯齿部（475）。