CN117129260A - 一种土壤采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种土壤采样装置，包括：无人机、采样管、压环及顶升板。采样管穿设于无人机，其外壁沿长度方向阵列设有多个卡槽；压环设于无人机上方，且套设于采样管外侧，压环与无人机之间设有弹性件，压环设有可伸缩的卡齿，其前端用于连接卡槽，卡齿前端的顶面为斜面。锤头为圆环结构，套设于采样管外侧，且设于压环上方，无人机顶面设有限位杆，用于限制锤头向上移动的极限位置，限位杆底面设有弹簧。顶升板沿采样管的长度方向移动设于无人机上方，顶升板沿锤头的法线方向移动设有伸缩板，其前端的顶面及底面均为斜面，用于向上托起及释放锤头。本方案在采样时无人机处于静止状态，且无需进行固定，使得采样操作更加方便。

Description

一种土壤采样装置

技术领域

本发明属于环境监测用设备及取样装置领域，尤其涉及一种土壤采样装置。

背景技术

因为西藏地理条件的特殊性，在进行土壤监测时，因受到地势高差、高寒及缺氧的影响，其部分区域对于人工实地采样极其不便。随着无人机技术的发展，目前已出现利用无人机搭载的土壤采样装置，可用于对工作人员不便于达到的点位进行采样。如申请号为CN202023347047.5的专利公开了无人机土壤自动采样器。其利用气缸控制活塞杆伸出，带动电机向下滑动，电机带动钻头旋转，当钻头底部的锯齿与土壤接触时，倾斜的锯齿向地面施加作用力，快速进行钻孔，钻孔过程中，土壤进入储土腔，实现土壤采样。其采样过程中无人机处于旋停状态，此时钻头却需要足够的旋转力矩进行钻孔，而电机、钻头及无人机处于同一个运动体系内，当电机工作时，需要无人机保持周向固定，才能使钻头旋转，而此种工况对于无人机的自身机械性能以及操作人员的熟练程度要求极高，当下的绝大多数无人机仅能提供上下向及水平方向的移动，而很难提供绕自身轴线的旋转力矩，因而此类无人机土壤采样装置在实际应用中较为困难。

发明内容

为解决现有技术不足，本发明提供一种土壤采样装置，采样时无人机处于静止状态，且无需进行固定，使得采样操作更加方便。

为了实现本发明的目的，拟采用以下方案：

一种土壤采样装置，包括：无人机、采样管、压环及顶升板。

采样管垂直向下穿设于无人机中部，其外壁至少一侧沿长度方向阵列设有多个卡槽；

压环设于无人机上方，且同轴套设于采样管外侧，压环的底部与无人机的顶面之间设有弹性件，压环的底面沿法线方向设有可伸缩的卡齿，其前端用于连接卡槽，且卡齿前端的顶面为斜面，弹性件用于推动压环相对采样管及无人机向上移动。

锤头为圆环结构，套设于采样管外侧，且设于压环上方，无人机顶面设有限位杆，用于限制锤头向上移动的极限位置，限位杆底面设有弹簧。

顶升板沿采样管的长度方向移动设于无人机上方，顶升板沿锤头的法线方向移动设有伸缩板，其前端的顶面及底面均为斜面，用于向上托起及释放锤头。

当锤头被释放之后在重力作用下向下冲击压环，并通过卡齿与卡槽之间的配合驱动采样管向下移动；此方式利用锤头产生的冲击力驱动采样管插入土壤中，从而实现取样，取样时，无人机仅需停在采样点即可，避免对无人机产生旋转力矩，也无需将无人机固定于地面，更不需要操作无人机，以保持其平衡状态，使用更加方便。

本发明的有益效果在于：本方案利用锤头产生的冲击力驱动采样管插入土壤中，从而实现取样。取样时，不会对无人机产生旋转力矩，因此无人机也无需提供方向的旋转力，并且无人机也无需通过插钉或是螺旋杆固定于地面，使得无人机的结构更加简单，并且采样过程更加方便，且容易操作。

附图说明

本文描述的附图只是为了说明所选实施例，而不是所有可能的实施方案，更不是意图限制本发明的范围。

图1示出了采样结束后无人机的停机状态示意图。

图2示出了本申请一种优选实施例的底部结构示意图。

图3示出了顶升板将锤头托起时本申请的局部状态示意图。

图4示出了锤头冲击压环时本申请的局部状态示意图。

图5示出了采样管的底部结构示意图。

图6示出了采样管底部结构的剖视图。

图中标记：无人机1、限位杆11、安装板12、伸缩杆13、电机14、丝杆15、取样管2、卡槽21、滑槽22、挡圈23、挡板24、压环3、弹性件31、卡齿32、垫块33、拉杆34、锤头4、顶升板5、伸缩板51、支撑架6。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明，但本发明所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1至图4所示，一种土壤采样装置，包括：无人机1、采样管2、压环3、锤头4及顶升板5。

具体的，如图1至图4所示，采样管2垂直向下穿设于无人机1中部，其外壁至少一侧沿长度方向阵列设有多个卡槽21。

具体的，如图1及图3、图4所示，压环3设于无人机1上方，且同轴套设于采样管2外侧，压环3的底部与无人机1的顶面之间设有弹性件31，压环3的底面沿法线方向设有可伸缩的卡齿32，其前端用于连接卡槽21，且卡齿32前端的顶面为斜面，弹性件31用于推动压环3相对采样管2及无人机1向上移动。

具体的，如图1至图4所示，锤头4为圆环结构，套设于采样管2外侧，且设于压环3上方，无人机1顶面设有限位杆11，用于限制锤头4向上移动的极限位置，限位杆11底面设有弹簧；

具体的，如图1至图4所示，顶升板5沿采样管2的长度方向移动设于无人机1上方，顶升板5沿锤头4的法线方向移动设有伸缩板51，其前端的顶面及底面均为斜面，用于向上托起及释放锤头4。

作为优选的结构，顶升板5沿圆周对称地设有一对伸缩板51，以使对锤头4的托举力更加平衡。

当锤头4被释放之后在重力作用下向下冲击压环3，并通过卡齿32与卡槽21之间的配合驱动采样管2向下移动；此方式利用锤头4产生的冲击力驱动采样管2插入土壤中，从而实现取样，取样时，无人机仅需停在采样点即可，避免对无人机1产生旋转力矩，也无需将无人机1固定于地面，更不需要操作无人机1，以保持其平衡状态，使用更加方便。

无人机1飞行时采样管2的底部高于无人机1支撑脚的高度，此时卡齿32卡设于其中一个卡槽21内，可防止采样管2掉落。通过控制器使无人机1飞行并降落至采样点，然后便可开始采样工作。采样时，移动顶升板5，使伸缩板51移动至锤头4的下方，然后向上移动顶升板5，便可通过伸缩板51将锤头4向上托起，当锤头4移动至限位杆11的位置并将限位杆11底部的弹簧压缩后便无法继续移动，此时继续向上移动顶升板5，在伸缩板51前端上方的斜面引导作用下，伸缩板51将沿着锤头4的法线方向朝外移动，以避开锤头4，从而实现释放锤头4的目的；当锤头4失去伸缩板51支撑的一瞬间，其将在重力以及限位杆11底部弹簧的弹力作用快速下落，从而对压环3形成向下的冲击力，限位杆11底部的弹簧将使得锤头4在有限的下落空间范围内获得更大的冲击力。压环3通过卡齿32与卡槽21之间的连接，将向下的冲击力传递给采样管2，从而使采样管2向下插入泥土中，以使土壤进入采样管2，在此过程中锤头4产生的冲击力会有一部分用于压缩弹性件31，以上为一个冲击行程。当采样管2停止向下移动之后，向下移动顶升板5，利用伸缩板51前端下方的斜面导向，使伸缩板51沿着锤头4的法线方向朝外移动，以避开锤头4，直至伸缩板51再次移动至锤头4的下方，在顶升板5下压的过程中，会有部分的下压力通过锤头4及压环3传递给采样管2，使其再次向下移动一段距离。当地面对采样管2形成的阻力大于伸缩板51向外移动所需的力矩时，采样管2将停止移动，之后伸缩板51便可顺利移动至锤头4的下方，并且伸缩板51还作为压紧机构，用于将锤头4压紧固定于压环3的顶面，以防止在无人机1飞行过程中锤头4随意移动，而导致无人机1无法平稳飞行。当伸缩板51移动至锤头4下方时，便可再次向上移动顶升板5，便可通过伸缩板51将锤头4向上托起，直至再次将锤头4释放；当锤头4从压环3的上方移开之后，在弹性件31的作用下，将向上将压环3顶起，而卡齿32前端的顶面为斜面，并且其可沿压环3的法线方向移动，因此卡齿32便可顺利越过卡槽21，以使压环3相对无人机1及采样管2向上移动至预定高度，保证压环3与锤头4接触的高度位置保持相对固定，从而减小锤头4的移动范围，使采样装置的结构更加紧凑，并且在压环3上升过程中，因为土壤对采样管2产生有阻力，因此能使采样管2保持相对位置的固定；当锤头4再次被释放之后，同样通过压环3使采样管2进一步插入土壤中，如此反复多次便可将采样管2插入预定深度，以完成采样工作。当完成采样工作之后，驱动无人机1上升，便可将采样管2从土壤里拔出；作为优选的实施方案，可将采样管2的下段用于采样的部位设置外锥形结构，不仅方便插入土壤，而且在拔出时也更加省力。

优选的，采样管2的外壁沿长度方向开设有两条相对设置的滑槽22，无人机1及锤头4均设有滑动设于滑槽22内的滑块，其中无人机1设置与滑槽22相连的滑块目的在于防止采样管2转动，而导致卡槽21与卡齿32错位，锤头4设置与滑槽22配合的滑块目的在于保持二者之间相对位置固定，使锤头4与采样管2的外壁隔开，以防止锤头4与卡槽21的底面之间发生碰触。

优选的，如图1、图2所示，采样管2的顶部外沿设有挡圈23，其外径大于锤头4的内径，起到限位的作用，进一步防止采样管2掉落，同时在采样完成之后，向上拔出采样管2时，可利用挡圈23进行限位，以防止采样管2脱落。无人机2返回之后可停在支撑架6上，以使采样管2的下端离地。

优选的，如图5、图6所示，采样管2的下端具有相对设置的刀尖结构，以方便切断地面植物的根茎以及使采样管2能更加顺利地插入土壤，采样管2内部对应刀尖结构的上方设有一对向上翻转的挡板24，当两块挡板24相对的一边相互接触时，两块挡板24中部呈向上拱起的结构，以防止采集在采样管2内的土壤下落，采样管2在插入土壤的过程中，在土壤的阻力作用下，挡板24将自动向上翻转，以打开采样管2，使土壤能顺利进入采样管2内；而将挡板24设置在刀尖结构上方的目的在于，使采样管2底部具有完成的切断结构，避免受到挡板24的影响。

优选的，如图1、图2所示，采样管2的外壁设有两列对称结构的卡槽21，压环3设有两块分别与两列卡槽21对应的卡齿32，以保持对采样管2产生的下压力更加平衡。

优选的，如图3、图4所示，压环3的顶面沿圆周均匀设有多个可拆卸的垫块33，且垫块33的安装高度可调，其不仅可替代压环3承受锤头4的冲击，在其磨损之后仍能保证压环3的完整性，仅需要更换垫块33即可，降低后期的使用维护成本，而且能使锤头4与压环3接触瞬间所产生的气压快速排出，防止因二者之间存在的气压导致锤头4向下的冲击力减弱；另一面，垫块33与锤头4之间相当于点与面接触，锤头4与压环3之间相当于面与面接触，二者相比，点与面接触的结构更加容易调节，更加容易使垫块33顶面与锤头4底面保持平行，而要保持面与面之间的平行状态则更难，因为排除安装因素，还存在平面自身制作因素的影响。

优选的，如图1、图3及图4所示，无人机1中部设有一块可拆卸的安装板12，用于设置采样管2、压环3及顶升板5，此种结构设计便于将无人机1单独拆除，以方便收纳，同时方便将此部分部件取出，以便于制作及后期维护。

优选的，如图3、图4所示，压环3底部垂直设有至少两根拉杆34，拉杆34的向下穿过安装板12，拉杆34的底部具有限位块，限位块位于安装板12的下方，用于防止拉杆34与无人机分离，进一步优选的，弹性件31为圆柱弹簧，拉杆34从弹性件31中部穿过，以使安装结构更加紧凑，并且弹性件31运行更加稳定。

优选的，如图3所示，安装板12的底部沿采样管2的法线方向移动设有伸缩杆13，伸缩杆13前端用于连接卡槽21，伸缩杆13前端的顶面为斜面，以方便伸缩杆13与卡槽21边沿接触时在斜面的引导作用下自动向采样管2的外侧移动，从而使采样管2顺利向下移动，当伸缩杆13卡设于卡槽21时，能防止采样管2向上移动，以便于压环3向上移动时使采样管2保持固定，进一步防止采样管2跟随压环3上升；伸缩杆13、卡齿32及伸缩板51均采用弹簧连接，以便于实现自行移动及复位。

优选的，如图2、图4所示，无人机1设有电机14，其主轴设有丝杆15，丝杆15平行于采样管2，且通过螺纹结构穿设于顶升板5，顶升板5底部设有至少两根导杆52，且导杆52穿设于无人机1，以提高顶升板5的稳定性，通过电机14带动丝杆15往复旋转，便可控制顶升板5沿采样管2的方向往复移动。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不表示是唯一的或是限制本发明。本领域技术人员应理解，在不脱离本发明的范围情况下，对本发明进行的各种改变或同等替换，均属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种土壤采样装置，其特征在于，包括：

无人机（1）；

采样管（2），垂直向下穿设于无人机（1）中部，其外壁至少一侧沿长度方向阵列设有多个卡槽（21）；

压环（3），同轴套设于采样管（2）外侧，压环（3）的底部与无人机（1）的顶面之间设有弹性件（31），压环（3）的底面沿法线方向设有可伸缩的卡齿（32），其前端用于连接卡槽（21），且卡齿（32）前端的顶面为斜面，弹性件（31）用于推动压环（3）相对采样管（2）及无人机（1）向上移动；

锤头（4），为圆环结构，套设于采样管（2）外侧，且设于压环（3）上方，无人机（1）顶面设有限位杆（11），用于限制锤头（4）向上移动的极限位置，限位杆（11）底面设有弹簧；

顶升板（5），沿采样管（2）的长度方向移动设于无人机（1）上方，顶升板（5）沿锤头（4）的法线方向移动设有伸缩板（51），其前端的顶面及底面均为斜面，用于向上托起及释放锤头（4）。

2.根据权利要求1所述的一种土壤采样装置，其特征在于，采样管（2）的外壁沿长度方向开设有两条相对设置的滑槽（22），无人机（1）及锤头（4）均设有滑动设于滑槽（22）内的滑块。

3.根据权利要求1所述的一种土壤采样装置，其特征在于，采样管（2）的顶部外沿设有挡圈（23），其外径大于锤头（4）的内径。

4.根据权利要求1所述的一种土壤采样装置，其特征在于，采样管（2）的下端具有相对设置的刀尖结构，采样管（2）内部对应刀尖结构的上方设有一对向上翻转的挡板（24），当两块挡板（24）相对的一边相互接触时，两块挡板（24）中部呈向上拱起的结构。

5.根据权利要求1所述的一种土壤采样装置，其特征在于，采样管（2）的外壁设有两列对称结构的卡槽（21），压环（3）设有两块分别与两列卡槽（21）对应的卡齿（32）。

6.根据权利要求1所述的一种土壤采样装置，其特征在于，压环（3）的顶面沿圆周均匀设有多个可拆卸的垫块（33），且垫块（33）的安装高度可调。

7.根据权利要求1所述的一种土壤采样装置，其特征在于，无人机（1）中部设有一块可拆卸的安装板（12），用于设置采样管（2）、压环（3）及顶升板（5）。

8.根据权利要求7所述的一种土壤采样装置，其特征在于，压环（3）底部垂直设有至少两根拉杆（34），拉杆（34）的向下穿过安装板（12），拉杆（34）的底部具有限位块，限位块位于安装板（12）的下方。

9.根据权利要求7所述的一种土壤采样装置，其特征在于，安装板（12）的底部沿采样管（2）的法线方向移动设有伸缩杆（13），伸缩杆（13）前端用于连接卡槽（21），伸缩杆（13）前端的顶面为斜面。

10.根据权利要求1所述的一种土壤采样装置，其特征在于，无人机（1）设有电机（14），其主轴设有丝杆（15），丝杆（15）平行于采样管（2），且通过螺纹结构穿设于顶升板（5），顶升板（5）底部设有至少两根导杆（52），且导杆（52）穿设于无人机（1）。