В настоящее время существуют современные буровые машины, разработанные для проходки тоннелей, такие как тоннелепроходческая машина (или комплекс ТПМК), но маломасштабная система разведочных роботов - это еще совсем не знакомая область исследований. Разработка маломасштабного подземного робота-разведчика является перспективным объектом исследований для использования при изучении почвенных, минеральных и подземных ресурсов, изучении опасных районов, а также в военных целях.
До сих пор использовались следующие типы бурового оборудования:
- Бурение кабельными инструментами (ударное бурение), при котором тяжелая колонна свободно падает под землю
- Гидравлическое ударное бурение с применением пневматического молотка
- Струйное бурение с распылением воды
- Роторное бурение с вращением бурового инструмента для копания.
Существует несколько методов, которые ТПМК использует для бурения тоннелей больших размеров, но основным является метод роторного бурения вращающихся долот для бурения. Такие методы являются сертифицированными методами проходки тоннелей, но не подходят для маломасштабных разведочных роботов с учетом их размеров и мобильности.
В последнее время изучается система проходки тоннелей, предназначенная для целей геологоразведки, однако прогресс пока еще не завершен. Ученые-инженеры разработали мобильного робота для разведки недр, мотивом для которого послужили земляные черви и кротовые сверчки.
Для перемещения робота под землей ему требуются функции землеройной техники, перемещения, разгрузки, перемещения вперед, управления движением вперёд и направления движения. Этот механизм имитирует движение крота при зарывании и перемещении и земляного червя - при перемещении вырытого грунта в заднюю часть пути.
Проектирование землеройных механизмов
Существующие землеройные роботы в основном используют винты для землеройных работ. Однако наиболее разработанным методом является тип долота, используемый ТПМК и другим буровым оборудованием. Инженеры использовали упрощенную версию типа долота, скопировав технику крота, при которой передние ноги используются для туннелирования.
Конструкция долота была упрощена и модифицирована, чтобы обеспечить свободное пространство для размещения двигателя. Для установки внутри долота требовался двигатель с малым радиусом и большим крутящим моментом. Был выбран небольшой, но имеющий крутящий момент, двигатель. Кроме того, пространство для установки долот имеет форму ковша экскаватора для дробления грунта.
Механизм переноса и разгрузки
Чтобы агрегат мог двигаться вперед, дробленая почва должна быть перенесена в заднюю часть агрегата. В конструкции робота реализован используемый червяками метод поглощения почвы в организм и ее выброса через заднюю стенку. Преимущество этого метода заключается в сохранении пространства. Перемещение почвы через тело позволяет сэкономить дополнительное пространство снаружи (которое в противном случае использовалось бы для перемещения почвы), а также сводит к минимуму подачу энергии на трение, возникающее в процессе работы.
Земляные черви используют перистальтику для переноса почвы. Разработчиками был выбран метод с использованием воздуходувки для минимизации масштаба, ускорения передачи и минимизации энергопотребления. Всасываемый долотом грунт собирается естественным образом внутри агрегата под действием силы гравитации и проходит через склон внутри агрегата под действием давления воздуха от нагнетателя, поставляемого извне. Наклон внутрь агрегата предотвращает обратный сток почвы. Также был разработан воздухораспределитель для разделения одного шланга, питающего насадку, на два. Благодаря этому воздух может равномерно выходить из длинной части форсунки.
Механизм переднего движения
Вращение двигателя заставляет звено лопасти погружаться в грунт и с определенным углом поворота это погруженное и опорное звено (которое поддерживает его), вращается вместе, перемещая агрегат вперед. Две перемычки лопастей в противоположных направлениях друг от друга соединены в одно базовое звено, так что за один цикл можно выполнить два движения вперед, что повышает эффективность работы. Благодаря движению, агрегат, подобно кроту, поднимается и опускается, что помогает ковшу агрегата дробить почву и двигаться вперед.
Первые эксперименты
Внутри гипотетической среды была заложена культурная почва, и, в результате воздействия примерно двух атмосфер, образовалась грязевая стена. Для обеспечения возможности проведения эксперимента на долотной установке прикладывалось постоянное усилие в пять килограмм-сил. После трех экспериментов среднее смещение механизма в культуре почвы и песка составило 10 см и 17 см, средняя скорость агрегата в культуре почвы и песка была 3,3 сантиметра в минуту. Общий объем выкопанной почвы составил 1,82 кубического метра. По итогу эксперимента выяснилась, что роботу не хватает усиления для приемлемых скорости перемещения и объема, выкопанной почвы.
В отличие от больших ТПМК, данный землеройный робот имеет преимущество в маленьком размере и лёгкой проходимости. Применение такого рода гораздо больше (по сравнению с ТПМК) подойдет для разведки ископаемых, а также для военных целей.
Несмотря на некоторые недоработки, уже сейчас можно смело утверждать, что проект будет востребован в будущем и любое исследование подземной почвы не обойдется без него.
Понравилась статья? Ставьте лайк, делитесь в соц.сетях и, конечно же, подписывайтесь на канал -- благодаря этому статьи будут дольше, а канал увидят больше людей. Спасибо за прочтение!