Перспективы роботизации инженерно-геологических изысканий в России



Развитие цифровых технологий, в том числе и робототехники, все больше оказывает влияние как на повседневную жизнь, так и на профессиональную среду. Роботизация различных процессов позволяет повысить качество работ, а также ускорить процессы. Внедрение робототехники в строительную сферу происходит медленными темпами, однако уже есть несколько успешных примеров. Например, печать здания при помощи 3D принтера, китайской компанией «Shanghai WinSun Decoration Design Engineering Co» [1]. При проведении инженерно-геологических изысканий при больших площадях внедрение робототехники для некоторых видов работ позволит минимизировать количество человек (зачастую это важный фактор в труднодоступных местах) и ускорить процессы. Наиболее подходящий вид работ, в который можно роботизировать — статическое зондирование грунтов.

Ключевые слова: робототехника, роботизация, инженерно-геологические изыскания, статическое зондирование.

Статическое зондирование обладает значительной технико-экономической эффективностью, позволяет оперативно получать очень большие объемы информации. Данное зондирование позволяет анализировать грунтовые условия площадок работ, выделять ИГЭ, характеризовать их свойства и выполнять анализ фундаментов. Выполнение этого вида полевых испытаний грунтов можно смело рекомендовать в качестве первого этапа полевых инженерно-геологических изысканий [2]. Статическое зондирование состоит в определении силы сопротивления грунта при погружении с помощью гидравлического устройства, создающего усилие на штангу [3]. В процессе статического зондирования грунтов происходит внедрение зонда, снабженного датчиками силы, температуры, порового давления и др.

Выполнение статического зондирования грунтов подразумевает два подхода при выполнении испытаний, отличающихся способом задавливания зонда. В первом подходе проводится непрерывное задавливание зонда в грунт с постоянной скоростью, равной 2 см/с и принятой в качестве стандартной как в России, так и в мировой практике. В процессе задавливания ведется запись показаний датчиков зонда и строятся диаграммы «скоростных» значений показателей зондирования в зависимости от глубины. Во втором подходе проводится прерывистое задавливание зонда в грунт. Зонд также погружается в грунт с постоянной скоростью, однако перерывы осуществляются на заранее заданной глубине, где выполняется остановка вдавливания зонда и ведется запись параметров зондирования в режиме «релаксации». Каждая такая остановка соответствует отдельному испытанию на заданной глубине, где осуществляется запись данных во времени. В этом случае давление масла не сбрасывается для поддержания зонда строго на постоянной глубине и его положение зафиксировано, равно как и деформация грунта непосредственно под зондом. Такая методика испытания близка к описанному С. С. Вяловым лабораторному динамометрическому методу, где измеряется релаксация напряжения в мерзлом грунте при постоянной деформации [4].

При статическом зондировании на установке УСЗ-20 существует возможность роботизации процессов, которыми руководит человек внутри машины. Предлагается изменить управление гидросистемой опускания, подъёма штанг. На данный момент управлением занимается рабочий, который приводит в действия рычаги или кнопки. Механическое управление можно перенести на пульт управления или в другое отведенное устройство и инженер, при нажатии на определенную функцию, будет получать желаемый результат, не приводя в исполнение рычаг внутри установки. Также не мало важный процесс — установка, замена штанг для зондирования. Существует возможность внедрения робота-манипулятора, который при необходимости сможет произвести замену или установку штанг по команде. Следовательно, можно полностью роботизировать процессы внутри установки УСЗ-20.

Одним из ключевых решений о минимизировании количества рабочих является — роботизация. При этом решении будет необходима группа людей, для транспортировки робота, и инженер, который будет непосредственно управлять им. Концепцию робота можно взять с примера марсоходов “Curiosity” и “Perseverance”. Роверы выполняют похожие задачи, взятие проб грунта с последующим анализом.

С инженерно-геологическими изысканиям стоит похожая задача, различие заключается в глубине отбора образцов и видах исследования. Управление робота может осуществляться как удалённо, так и непосредственно на объекте инженером (буровым мастером). Такой вид изысканий позволит предварительно оценить инженерно-геологические условия площадки для последующего бурения классическим способом.

При статическом зондировании на установке УСЗ-20 существует возможность роботизации процессов, которыми руководит человек внутри машины. Предлагается изменить управление гидросистемой опускания, подъёма штанг. На данный момент управлением занимается рабочий, который приводит в действия рычаги или кнопки. Механическое управление можно перенести на пульт управления или в другое отведенное устройство и инженер, при нажатии на определенную функцию, будет получать желаемый результат, не приводя в исполнение рычаг внутри установки. Также не мало важный процесс — установка, замена штанг для зондирования. Существует возможность внедрения робота-манипулятора, который при необходимости сможет произвести замену или установку штанг по команде. Следовательно, можно полностью роботизировать процессы внутри установки УСЗ-20.

Рис. 1. Схема роботизации механического движения внутри машины

Рис. 2. Схема роботизации замены/установки штанг зондирования

По аналогии с БПЛА, роботов можно программировать на прохождение маршрутов, оснащать “умными камерами” для оценки рельефа и наличию препятствий. Роботов можно запрограммировать на выполнение задач с высокой точностью, при этом устройства смогут работать в течение длительного периода времени без перерывов или отдыха, что позволяет ускорить процесс анализа грунта. Также они могут обеспечить безопасность на опасных участках, например, в местах с неустойчивым грунтом. Наиболее отрицательными сторонами является стоимость роботов и их обслуживание.

На первоначальных этапах затраты на покупку устройств и обучение персонала могут быть высокими, но в долгосрочной перспективе расходы будут значительно ниже, в сравнении с традиционными методами. Так же как вариант экономии топлива может служить концепция двух двигателей в роботе.

Такую технологию активно используют автомобильные компании, при создании гибридного авто, преобразование механической энергии в электрическую. В основе может находиться японский автомобиль Toyota Prius. Машина использует электродвигатель наряду с бензиновым для обеспечения тяги. Электродвигатель представляет собой синхронный двигатель с постоянными магнитами, который работает на принципах электромагнетизма. Он состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с катушками проволоки. Когда электрический ток пропускается через катушки проволоки, создается магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем ротора и создает вращательную силу или крутящий момент. Данную технологию можно применить в изобретаемом роботе, для обеспечения дополнительной мощности. Таким образом существенно снизится срок окупаемости устройства.

Технологии марсоходов могут быть схожими с роботом в сфере инженерно-геологических изысканий [Рис. 5]. Марсоход “Curiosity” использует ударную дрель, расположенную на конце его роботизированной руки, для сбора образцов горных пород и почвы с Марса. Сверло располагается над целевым образцом, а рычаг устанавливается на место. Буровое долото вращается с высокой скоростью и врезается в поверхность, отламывая небольшой цилиндрический образец породы. Сверло убирается, оставляя образец на месте. Затем манипулятор берет образец и помещает его в прибор для анализа образцов марсохода на Марсе (SAM), который расположен внутри корпуса марсохода. SAM анализирует образец и возвращает информацию о его составе, которая помогает определить геологическую историю и потенциальную обитаемость Марса. Бур марсохода Curiosity предназначен для работы с различными типами горных пород и успешно собрал образцы из многих различных мест на Марсе.

Рис. 3. Устройство Curiosity [5]

Марсоход Perseverance, который был запущен НАСА в июле 2020 года, также использует дрель для сбора образцов почвы и горных пород с Марса. Однако бур марсохода Perseverance немного отличается от бура марсохода Curiosity, поскольку он предназначен для сбора более полных и глубоких образцов из недр Марса. Сверло устанавливается над целевым образцом, и роботизированная рука марсохода устанавливается на место. Буровое долото вращается с высокой скоростью и врезается в поверхность, отламывая цилиндрический образец породы. Затем сверло убирается, оставляя образец на месте. Затем манипулятор берет образец и помещает его в систему кэширования образцов марсохода (SCS), которая расположена на роботизированной руке. SCS хранит образец в небольшом контейнере и подготавливает его для последующего извлечения с помощью миссии по возврату образца. Бур марсохода Perseverance предназначен для сбора более глубоких и полных образцов, чем бур марсохода Curiosity, что позволяет ученым изучать марсианские недра и искать свидетельства прошлых или нынешних условий обитания на планете.

Рис. 4. Устройство Perseverance [6]

Рис. 5. Предлагаемое устройство

В России есть множество условий для роботизации инженерно-геологических изысканий. Для развития технологий в данной отрасли существуют различного рода внеучебная деятельность. Например, с 2016 года работает детский технопарк — Кванториум. Также открываются инженерные школы, где дети осваивают компьютерные технологии и инженерию. В будущем это приведет к появлению специалистов, которые без каких-либо трудностей смогут создать все условия для развития роботизации в строительной сфере.

Литература:

1. Иноземцев Александр Сергеевич, Королев Евгений Валерьевич, Зьюнг Тхань Куй. Анализ существующих технологических решений 3D-печати в строительстве, вестник МГСУ, стр. 867, 2018.
2. Журнал «Инженерные изыскания», № 8, стр. 40–45, 2013.
3. Мангушев Р. А., Карлов В. Д. Механика грунтов. Учебник. — М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, стр. 264, 2011.
4. «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации»
5. Материалы Пятнадцатой Общероссийской научно-практической конференции изыскательских организаций, стр. 313–316, 2019.
6. Teledyne commends NASA on successful landing of Mars Rover Perseverance. 19.02.2021
7. Maya Wei-Haas, NASA’s Perseverance rover made this selfie near a rock nicknamed Rochette on September 10, 2021, after drilling two chalk-size rock cores—the first successful samples the rover collected. 18.02.2022,