CN117470719B - 一种具有多功能的环境监测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于监测机器人领域，具体是一种具有多功能的环境监测机器人，包括监测机构、采样机构、集气瓶、运输机构和控制模块。本发明通过监测机构，采用动态采样的方式，将空气吸入监测机构内，设置活动扰流系统，改变气流运动轨迹，借助离心力让颗粒与气流分离，并对颗粒进行集中检测，设置光电感应器，对颗粒物进行实时监测，具有应响应速度快、精度高的特点，可以提高监测时的精度和效率；设置采样机构，利用通过采样电机带动对接旋盖旋转，从而开启集气瓶，并通过对接弹簧用于推动对接旋盖，让对接旋盖与集气瓶对接，实现自动采集的技术效果。

Description

一种具有多功能的环境监测机器人

技术领域

本发明属于监测机器人技术领域，具体是指一种具有多功能的环境监测机器人。

背景技术

环境监测，是指环境监测机构对环境质量状况进行监视和测定的活动。通过对反映环境质量的指标进行监视和测定，以确定环境污染状况和环境质量的高低。自然灾害、生产事故、实验室泄漏等事件可能导致局部环境中存在异常的生物气溶胶粒子，形成复杂的粒子环境。这种情况对应急处置人员的生命安全构成持续威胁，并使得他们无法立即进入事发现场。由于无法准确了解现场的生物安全状况，应急处置人员难以制定科学且安全的应急处置方案，从而制约了现场应急处置工作的进行，这严重影响了现场应急救援工作的效率。因此再处理此类事件时，通常会使用监测机器人进入现场环境进行监测作业，来获得环境数据。

目前监测机器人已经能够完成许多复杂环境的任务要求，来代替人类完成各项作业，但现有的监测机器人在使用时存在一定的技术缺陷：技术效果单一，只能进行监测作业，无法及时进行采集留样；在长时间监测过程中，空气中的颗粒附着于设备内部，影响监测精度，导致后期采样时导致样品不纯。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种具有多功能的环境监测机器人，采用动态采样的方式，设置监测机构，利用离心分离的方式，将颗粒从气体中分离并单独监测，提高检测效率的同时可以避免污染样品；同时设置采样机构，通过将集气瓶安装在采样机构，实现自动采样。

本发明采取的技术方案如下：本发明提供一种具有多功能的环境监测机器人，包括监测机构、采样机构、集气瓶、运输机构和控制模块，所述监测机构设于运输机构上，所述采样机构设于运输机构上，所述监测机构与采样机构连通，所述集气瓶设于运输机构上，所述集气瓶与采样机构连通，所述控制模块设于运输机构上，由监测机构进行实时监测，当监测的数据变化达到阈值，由采样机构开启集气瓶，将气体收集到集气瓶中。

进一步地，所述监测机构包括前端管道、后端管道、中段管道、轴流风机、活动扰流系统、封口滑管、封口伸缩臂和排气管道，所述前端管道通过前搭载环设于运输机构上，所述后端管道通过后搭载环设于运输机构上，所述中段管道设于前端管道和后端管道之间，所述轴流风机设于前端管道内，所述活动扰流系统设于前端管道内，所述封口滑管滑动设于前端管道上，所述封口伸缩臂的固定端设于前端管道上，所述封口伸缩臂的伸缩端设于封口滑管上，所述排气管道设于后端管道上，所述排气管道同时与采样机构连通，采用动态采样的方式，通过轴流风机进行将空气吸入监测机构内，空气依次通过前端管道和后端管道，利用活动扰流系统改变气流运动轨迹，借助离心力让颗粒与气流分离，并对颗粒进行集中检测；通过封口伸缩臂带动封口滑管，可以控制是否对气流的颗粒进行分离操作。

其中，所述活动扰流系统包括传动防护舱、固定臂、转动搭载头、活动扰流片、扰流齿轮、传动齿环、扰流输出齿轮和扰流电机，所述传动防护舱设于前端管道外侧，所述固定臂的一端设于前端管道内，所述转动搭载头设于固定臂的另一端上，所述活动扰流片的一端转动设于转动搭载头上，所述活动扰流片的另一端转动设于前端管道上，所述扰流齿轮设于活动扰流片的端部上，所述传动齿环转动设于前端管道外侧，所述传动齿环与扰流齿轮啮合连接，所述扰流电机设于传动防护舱上，所述扰流输出齿轮设于扰流电机的输出端上，所述扰流输出齿轮同时与传动齿环啮合连接，通过扰流电机控制活动扰流片的偏转角度，可以改变气流在监测机构内的运动的轨迹，产生螺旋气流，借助离心力分离颗粒物。

作为本发明进一步优选地，所述后端管道上设有颗粒分离通道，所述颗粒分离通道的一侧设有激光发射器，所述颗粒分离通道的另一侧设有光电感应器，由于颗粒会导致激光发生散射，影响光电感应器的采集信号，通过预设光电感应器的接收阈值，可以对环境颗粒物进行实时监测，而且光电感应响应速度快、精度高，可以提高监测时的精度和效率。

进一步地，所述采样机构包括气体通道、采样传动框架、传动花键轴、采样传动齿轮、采样输出齿轮、采样电机、对接旋盖、对接弹簧和搭载垫片，所述气体通道设于运输机构上，所述采样传动框架设于气体通道上，所述传动花键轴的固定端转动设于采样传动框架上，所述采样传动齿轮设于传动花键轴的固定端上，所述采样电机设于运输机构上，所述采样输出齿轮设于采样电机的输出端上，所述采样输出齿轮与采样传动齿轮啮合连接，所述对接旋盖设于传动花键轴的伸缩端上，所述搭载垫片转动设于传动花键轴的伸缩端上，所述对接弹簧的一端设于采样传动框架上，所述对接弹簧的另一端设于搭载垫片上了，通过采样电机带动对接旋盖旋转，从而开启集气瓶；对接弹簧用于推动对接旋盖，让对接旋盖与集气瓶实现对接。

作为本发明进一步优选地，所述集气瓶由不锈钢材质制成，内表面涂有惰性材料，可以避免与气体发生化学反应，封装状态是内部为真空负压状态，可以利用压强差将气体直接吸入集气瓶中，集气瓶的端部设有螺纹，集气瓶的端部设有气口，集气瓶的端部活动设有瓶塞

进一步地，所述运输机构包括搭载底盘，所述搭载底盘的底部设有驱动系统，所述搭载底盘上设有电池包。

作为本发明进一步优选地，所述控制模块采用PLC对各设备进行控制，所述控制模块内搭载有GPS定位，所述控制模块与扰流电机、轴流风机、封口伸缩臂、激光发射器、光电感应器、采样电机、电池包和驱动系统电性连接，所述控制模块控制扰流电机、轴流风机、封口伸缩臂、激光发射器、光电感应器、采样电机和驱动系统的工作状态，所述光电感应器对控制模块反馈接收到的光电信号。

采用上述结构本发明取得的有益效果如下：本方案提供的一种具有多功能的环境监测机器人的有益效果如下：

（1）采用动态采样法，利用轴流风机驱动空气进入监测机构，通过改变轴流风机的功率来调整流量，进而提高收集效率；

（2）利用离心分离的方式，将颗粒从气流路线中分离，对颗粒进行单独监测，一方面可以提高监测精度，另一方面可以避免之后采集作业时污染样品；

（3）通过光电感应监测气流中的颗粒变化，响应速度快、精度高，可以提高监测时的精度和效率；

（4）集气瓶使用螺旋开启的方式，结构简单可靠，利用负压收集气体，高效快速；

（5）设置采样机构，利用通过采样电机带动对接旋盖旋转，从而开启集气瓶，并通过对接弹簧用于推动对接旋盖，让对接旋盖与集气瓶对接，实现自动采集的技术效果。

附图说明

图1为本发明提出的一种具有多功能的环境监测机器人的正视图；

图2为本发明提出的一种具有多功能的环境监测机器人的后视图；

图3为本发明提出的一种具有多功能的环境监测机器人的部分结构剖视图；

图4为监测机构的剖视图；

图5为活动扰流系统的部分结构示意图；

图6为采样机构的部分结构剖视；

图7为采样机构的部分传动结构示意图；

图8为集气瓶的结构示意图。

其中，1、监测机构，2、采样机构，3、集气瓶，4、运输机构，5、控制模块，101、前端管道，102、后端管道，103、中段管道，104、轴流风机，105、活动扰流系统，106、封口滑管，107、封口伸缩臂，108、排气管道，109、传动防护舱，110、固定臂，111、转动搭载头，112、活动扰流片，113、扰流齿轮，114、传动齿环，115、扰流输出齿轮，116、扰流电机，117、颗粒分离通道，118、激光发射器，119、光电感应器，201、气体通道，202、采样传动框架，203、传动花键轴，204、采样传动齿轮，205、采样输出齿轮，206、采样电机，207、对接旋盖，208、对接弹簧，209、搭载垫片，301、瓶塞，302、气口，401、前搭载环，402、后搭载环，403、搭载底盘，404、驱动系统，405、电池包。

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

具体实施方式

下面将结合本发明具体实施方式中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1、图2和图3所示，本发明采取的技术方案如下：本发明提供一种具有多功能的环境监测机器人，包括监测机构1、采样机构2、集气瓶3、运输机构4和控制模块5，监测机构1设于运输机构4上，采样机构2设于运输机构4上，监测机构1与采样机构2连通，集气瓶3设于运输机构4上，集气瓶3与采样机构2连通，控制模块5设于运输机构4上；运输机构4包括搭载底盘403，搭载底盘403的底部设有驱动系统404，搭载底盘403上设有电池包405。

如图1、图3、图4和图5所示，监测机构1包括前端管道101、后端管道102、中段管道103、轴流风机104、活动扰流系统105、封口滑管106、封口伸缩臂107和排气管道108，前端管道101通过前搭载环401设于运输机构4上，后端管道102通过后搭载环402设于运输机构4上，中段管道103设于前端管道101和后端管道102之间，轴流风机104设于前端管道101内，活动扰流系统105设于前端管道101内，封口滑管106滑动设于前端管道101上，封口伸缩臂107的固定端设于前端管道101上，封口伸缩臂107的伸缩端设于封口滑管106上，排气管道108设于后端管道102上，排气管道108同时与采样机构2连通；活动扰流系统105包括传动防护舱109、固定臂110、转动搭载头111、活动扰流片112、扰流齿轮113、传动齿环114、扰流输出齿轮115和扰流电机116，传动防护舱109设于前端管道101外侧，固定臂110的一端设于前端管道101内，转动搭载头111设于固定臂110的另一端上，活动扰流片112的一端转动设于转动搭载头111上，活动扰流片112的另一端转动设于前端管道101上，扰流齿轮113设于活动扰流片112的端部上，传动齿环114转动设于前端管道101外侧，传动齿环114与扰流齿轮113啮合连接，扰流电机116设于传动防护舱109上，扰流输出齿轮115设于扰流电机116的输出端上，扰流输出齿轮115同时与传动齿环114啮合连接；后端管道102上设有颗粒分离通道117，颗粒分离通道117的一侧设有激光发射器118，颗粒分离通道117的另一侧设有光电感应器119。

如图1、图3、图6和图7所示，采样机构2包括气体通道201、采样传动框架202、传动花键轴203、采样传动齿轮204、采样输出齿轮205、采样电机206、对接旋盖207、对接弹簧208和搭载垫片209，气体通道201设于运输机构4上，采样传动框架202设于气体通道201上，传动花键轴203的固定端转动设于采样传动框架202上，采样传动齿轮204设于传动花键轴203的固定端上，采样电机206设于运输机构4上，采样输出齿轮205设于采样电机206的输出端上，采样输出齿轮205与采样传动齿轮204啮合连接，对接旋盖207设于传动花键轴203的伸缩端上，搭载垫片209转动设于传动花键轴203的伸缩端上，对接弹簧208的一端设于采样传动框架202上，对接弹簧208的另一端设于搭载垫片209上。

如图8所示，集气瓶3的端部设有螺纹，集气瓶3的端部同时设有气口302，集气瓶3的端部同时活动设有瓶塞301。

具体使用时，进行监测作业时，首先设定光电感应器119的接收阈值，之后设置监测坐标，由GPS进行导航，控制模块5启动驱动系统404，将本装置运输到目标位置，同时，将集气瓶3安装在运输机构4上，并将集气瓶3的瓶塞301与对接旋盖207对齐，对接旋盖207在对接弹簧208的弹力作用下与瓶塞301卡合；之后开始监测作业，控制模块5启动扰流电机116，扰流电机116启动带动扰流输出齿轮115转动，扰流输出齿轮115转动带动传动齿环114转动，传动齿环114转动带动扰流齿轮113转动，扰流齿轮113转动带动活动扰流片112转动，此时活动扰流片112的平面与轴向方向夹角为45度，同时，控制模块5启动激光发射器118和光电感应器119，光电感应器119接收到激光发射器118的光信号，之后控制模块5启动轴流风机104，轴流风机104将外部空气吸入前端管道101内，空气从前端管道101进入，以直线轨迹经轴流风机104到达活动扰流系统105，气流受活动扰流片112影响发生偏转，气流的运动轨迹由直线变为螺旋形，气流中的颗粒由于受离心力作用被甩向外侧（前端管道101的内壁），之后，分离过颗粒的气流从排气管道108进入气体通道201，再有气体通道201排出，而分离的颗粒以螺旋轨迹进入颗粒分离通道117并被排出，由于颗粒散射会导致光电感应器119接收到激光发射器118的光信号发生变化，在监测过程中，当光电感应器119接收到的信号达到阈值时，光电感应器119向控制模块5发送信号，此时可以记录数据并继续进行监测，或者进行采样作业，并停止监测作业；采样时，控制模块5再次启动扰流电机116，扰流电机116启动带动扰流输出齿轮115转动，扰流输出齿轮115转动带动传动齿环114转动，传动齿环114转动带动扰流齿轮113转动，扰流齿轮113转动带动活动扰流片112转动，此时活动扰流片112的平面与轴向方向夹角由原先45度变为90度，即活动扰流片112的平面与前端管道101的轴向方向共平面，活动扰流片112不再对气流有扰流作用，同时，控制模块5启动封口伸缩臂107，封口伸缩臂107伸长带动封口滑管106向排气管道108移动，封口滑管106与排气管道108紧贴后，控制模块5启动采样电机206，采样电机206启动带动采样输出齿轮205转动，采样输出齿轮205转动带动采样传动齿轮204转动，采样传动齿轮204转动带动传动花键轴203转动，传动花键轴203转动带动对接旋盖207转动，对接旋盖207转动带动瓶塞301转动，随瓶塞301转动，集气瓶3的气口302露出，由于大气压，气体被吸入集气瓶3内，之后，控制模块5启动采样电机206，采样电机206反向输出，将瓶塞301旋紧，完成气体采集，控制模块5启动驱动系统404，将本装置运回基地，之后可以利用光谱仪对气体样品进行详细的检测。

以上便是本发明具体的工作流程，下次使用时重复此步骤即可。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解为在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种具有多功能的环境监测机器人，其特征在于：包括监测机构（1）、采样机构（2）、集气瓶（3）、运输机构（4）和控制模块（5），所述监测机构（1）设于运输机构（4）上，所述采样机构（2）设于运输机构（4）上，所述监测机构（1）与采样机构（2）连通，所述集气瓶（3）设于运输机构（4）上，所述集气瓶（3）与采样机构（2）连通，所述控制模块（5）设于运输机构（4）上；所述监测机构（1）包括前端管道（101）、后端管道（102）、中段管道（103）、轴流风机（104）、活动扰流系统（105）、封口滑管（106）、封口伸缩臂（107）和排气管道（108），所述前端管道（101）通过前搭载环（401）设于运输机构（4）上，所述后端管道（102）通过后搭载环（402）设于运输机构（4）上，所述中段管道（103）设于前端管道（101）和后端管道（102）之间，所述轴流风机（104）设于前端管道（101）内，所述活动扰流系统（105）设于前端管道（101）内，所述封口滑管（106）滑动设于前端管道（101）上，所述封口伸缩臂（107）的固定端设于前端管道（101）上，所述封口伸缩臂（107）的伸缩端设于封口滑管（106）上，所述排气管道（108）设于后端管道（102）上，所述排气管道（108）同时与采样机构（2）连通；所述活动扰流系统（105）包括传动防护舱（109）、固定臂（110）、转动搭载头（111）、活动扰流片（112）、扰流齿轮（113）、传动齿环（114）、扰流输出齿轮（115）和扰流电机（116），所述传动防护舱（109）设于前端管道（101）外侧，所述固定臂（110）的一端设于前端管道（101）内，所述转动搭载头（111）设于固定臂（110）的另一端上，所述活动扰流片（112）的一端转动设于转动搭载头（111）上，所述活动扰流片（112）的另一端转动设于前端管道（101）上，所述扰流齿轮（113）设于活动扰流片（112）的端部上，所述传动齿环（114）转动设于前端管道（101）外侧，所述传动齿环（114）与扰流齿轮（113）啮合连接，所述扰流电机（116）设于传动防护舱（109）上，所述扰流输出齿轮（115）设于扰流电机（116）的输出端上，所述扰流输出齿轮（115）同时与传动齿环（114）啮合连接；所述采样机构（2）包括气体通道（201）、采样传动框架（202）、传动花键轴（203）、采样传动齿轮（204）、采样输出齿轮（205）、采样电机（206）、对接旋盖（207）、对接弹簧（208）和搭载垫片（209），所述气体通道（201）设于运输机构（4）上，所述采样传动框架（202）设于气体通道（201）上，所述传动花键轴（203）的固定端转动设于采样传动框架（202）上，所述采样传动齿轮（204）设于传动花键轴（203）的固定端上，所述采样电机（206）设于运输机构（4）上，所述采样输出齿轮（205）设于采样电机（206）的输出端上，所述采样输出齿轮（205）与采样传动齿轮（204）啮合连接，所述对接旋盖（207）设于传动花键轴（203）的伸缩端上，所述搭载垫片（209）转动设于传动花键轴（203）的伸缩端上，所述对接弹簧（208）的一端设于采样传动框架（202）上，所述对接弹簧（208）的另一端设于搭载垫片（209）上。

2.根据权利要求1所述的一种具有多功能的环境监测机器人，其特征在于：所述后端管道（102）上设有颗粒分离通道（117），所述颗粒分离通道（117）的一侧设有激光发射器（118），所述颗粒分离通道（117）的另一侧设有光电感应器（119）。

3.根据权利要求2所述的一种具有多功能的环境监测机器人，其特征在于：所述集气瓶（3）由不锈钢材质制成，内表面涂有惰性材料，封装状态是内部为真空负压状态，集气瓶（3）的端部设有螺纹，集气瓶（3）的端部同时设有气口（302），集气瓶（3）的端部同时活动设有瓶塞（301），所述瓶塞（301）上设有对接口。

4.根据权利要求3所述的一种具有多功能的环境监测机器人，其特征在于：所述运输机构（4）包括搭载底盘（403），所述搭载底盘（403）的底部设有驱动系统（404），所述搭载底盘（403）上设有电池包（405）。

5.根据权利要求4所述的一种具有多功能的环境监测机器人，其特征在于：所述扰流电机（116）、轴流风机（104）、封口伸缩臂（107）、激光发射器（118）、光电感应器（119）、采样电机（206）、电池包（405）和驱动系统（404）与控制模块（5）电性连接，所述光电感应器（119）对控制模块（5）反馈接收到的光电信号，所述控制模块（5）内搭载有GPS定位。