WO2018056274A1 - 海底地盤のコアサンプリング装置及びコアサンプリング方法 - Google Patents

海底地盤のコアサンプリング装置及びコアサンプリング方法 Download PDF

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tube
sampling
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ground
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幸紘 末永
真一 高川
徹弥 深澤
四郎 吉岡
巨貴 宇都
裕二 今井
賢 反町
憲士郎 糸田
史郷 田島
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鉱研工業株式会社
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    • E21B25/00—Apparatus for obtaining or removing undisturbed cores, e.g. core barrels, core extractors
    • E21B25/18—Apparatus for obtaining or removing undisturbed cores, e.g. core barrels, core extractors the core receiver being specially adapted for operation under water
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/001—Underwater vessels adapted for special purposes, e.g. unmanned underwater vessels; Equipment specially adapted therefor, e.g. docking stations
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/02—Devices for withdrawing samples
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Definitions

  • the present invention relates to a core sampling apparatus and a core sampling method for sampling a core as a sample from the seabed ground for geological survey of the seabed ground.
  • Patent Documents 1 to 4 In order to extract the core from the submarine ground, a number of core sampling devices for the submarine ground have conventionally been developed (see Patent Documents 1 to 4). These conventional core sampling devices excavate the seabed ground while collecting on the seabed ground and collect the core, and are provided with a frame body placed on the seabed ground. And, a spindle to which the core tube is attached, a motor for rotating the spindle, a motor for feeding and retracting the spindle, a battery for supplying power to the motor, and other parts are attached to the frame body.
  • the above-mentioned conventional core sampling devices perform core sampling in a state where they are all settled on the seabed ground, and when the motor is driven, the spindle is fed while rotating, and the core tube is brought to the seabed by this feeding. The ground is excavated to collect the core in the core tube.
  • the cobalt crust layer and methane hydrate layer exist in the surface layer of the seabed ground, and in these research studies, it is required to extract the core widely from the surface layer of the seabed ground.
  • the conventional core sampling device has a problem that it is not suitable for frequent movement to the seabed because it is large and heavy. For this reason, it is not suitable for sampling a wide area of the surface layer portion of the seabed ground with a depth of about 100 to 300 mm.
  • the present invention has been made in consideration of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a core sampling device and core sampling method of the seabed ground capable of performing a wide range of core sampling to the seabed ground. Another object of the present invention is to make it possible to know the distribution of the ground to be surveyed by making it possible to confirm the orientation of the collected core.
  • the submarine ground core sampling apparatus comprises a main robot moving in the sea by remote control, and a sampling robot connected to a manipulator attached to the main robot and movable relative to the submarine ground.
  • the sampling robot excavates the seabed ground by rotation and feeding, and introduces a core of the seabed ground by the excavation and includes a core tube for breaking the introduced core into core pieces, and the main robot A core rack for housing core pieces in the core tube is provided.
  • the core tube is composed of an outer tube and an inner tube in which a core passage is formed and which is not rotating in the outer tube, and the entire outer tube is rotated.
  • the core is introduced into the core passage by advancing and excavating the submarine ground, and the core is broken in the core passage to form a core piece, and the sampling robot rotates the core tube.
  • the core tube is provided inside the core passage, and a core marker portion for marking the core introduced into the core passage, and the core tube protrudes obliquely inside the core passage and is introduced into the core passage.
  • the core rack holds a plurality of core cases for storing the core pieces broken by the core tube, and one core case moves to the storage position of the core pieces.
  • the core rack includes a rotatable rack body on which the plurality of core cases are circumferentially equally spaced, and the rack body is rotated to switch the core cases.
  • the sampling robot further includes a dance preventing mechanism which bites into the seabed ground at the time of the excavation and maintains the excavation posture.
  • the sampling robot is connected to the main robot moving in the sea by remote control via the manipulator, and the sampling robot is moved relative to the seabed ground.
  • the core tube is introduced into the core tube by rotating and advancing the core tube to excavate the submarine ground to introduce the core into the core tube and breaking the core into core pieces, and then the core pieces are provided to the core rack provided on the main robot It is characterized by storing.
  • the sampling robot is connected to the main robot moving in the sea through the manipulator, and the sampling robot moves relative to the seabed ground to collect the core of the seabed ground in the core tube, so a wide area of the seabed ground Core sampling is possible. Also, in order to mark the core collected in the inner tube as a core piece and to detect the direction of the drill head at the time of excavation by making the inner tube non-rotating, it is necessary to confirm the orientation of the collected core piece It is possible to know the distribution of the ground to be surveyed with certainty.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view from the side in a direction different from FIG. 6; It is a sectional view showing a core tube.
  • FIG. 1 It is a fragmentary sectional view showing the inside of a core tube. It is an exploded perspective view showing a core rack. It is a perspective view showing operation of a core rack. (A) And (B) is a bottom view and a side view showing a dance prevention mechanism. It is a conceptual diagram which shows the whole of another embodiment of this invention. It is a perspective view which shows the sampling state by the core sampling apparatus of another embodiment. It is a side view which shows the attitude which excavates the seabed ground. It is a side view which shows the state which is excavating the seabed ground. It is a side view showing another digging posture.
  • FIG. 1 shows the overall configuration of a core sampling device 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the core sampling device 1 of this embodiment is provided with a main robot 3 in addition to the sampling robot 2 that performs core sampling of the submarine ground 6.
  • the main robot 3 is connected to the operation vessel 4 via the cable 5 and moves in the sea via the cable 5 by remote control from the operation vessel 4.
  • the main robot 3 supplies the sampling robot 2 with power, hydraulic pressure, and the like for driving the sampling robot 2. These supplies are performed by the command from the operation ship 4.
  • FIG. 2 shows the sampling state.
  • the main robot 3 includes a first manipulator 7 and a second manipulator 8.
  • One of the manipulators 7 or 8 grasps the sampling robot 2 and moves the sampling robot 2 relative to the seabed ground 6. As a result, the sampling robot 2 moves to the sampling position of the submarine ground 6 to perform core sampling operation.
  • the other manipulator 7 or 8 (the second manipulator 8 in the illustrated example) performs a switching operation of the core rack 9 described later.
  • the core rack 9 is attached to the main robot 3.
  • the operations of the two manipulators 7 and 8 are controlled by commands from the operating ship 4.
  • each of the manipulators 7 and 8 a plurality of arms 71 and 81 are connected by joints 72 and 82, and the proximal end arms 71 and 81 are attached to the main robot 3 via the brackets 74 and 84.
  • the clamp claws 73 and 83 are attached to the arm portions 71 and 81 on the distal end side.
  • the manipulators 7 and 8 can be bent, turned, and extended and contracted by connecting the plurality of arms 71 and 81 via the joints 72 and 82.
  • Each clamp claw 73, 83 opens and closes by hydraulic pressure. As described later, the clamp claws 73 of the first manipulator 7 operate with respect to the sampling robot 2, and the clamp claws 83 of the second manipulator 8 operate with respect to the core rack 9.
  • the sampling robot 2 includes a hollow connection tube 10, a core tube 11 is detachably connected to the connection tube 10, and a drill head 60 is provided around the core tube 11.
  • the feed mechanism 13, the gyro sensor 14 and the dance prevention mechanism 15 are arranged.
  • the core tube 11 is coaxially connected to the hollow connection tube 10 so that the inside of the connection tube 10 and the inside of the inner tube 21 of the core tube 11 (core passage 22) Communicate.
  • a suction hose 16 is connected to the end of the connecting tube 10 opposite to the core tube 11 (see FIG. 2).
  • the suction hose 16 is connected to a suction pump 48 (see FIGS. 3 and 4) disposed on the main robot 3 side.
  • the core tube 11 has a double tube structure in which the inner tube 21 is inserted into the outer tube 20.
  • Plural tips 23 for excavating the seabed ground 6 are attached to the tip of the outer tube 20.
  • the inner tube 21 is inserted into the outer tube 20 in a non-rotational state with respect to the outer tube 20.
  • the inner tube 21 has a hollow shape in which the core passage 22 penetrates in the axial direction, and the core 18 of the seabed ground 6 is introduced into the core passage 22 by excavating in the seabed ground 6.
  • the core marker portion 24 is formed at the tip end portion of the inner tube 21, and the core kicker portion 25 is formed at the upper portion of the core marker portion 24.
  • the core marker portion 24 is composed of a blade protruding inside the core passage 22 of the inner tube 21 and damages the outer surface of the core 18 introduced into the core passage 22 by digging to form a mark 19.
  • the mark 19 formed on the core 18 (core piece 17) by the core marker portion 24 is a linear flaw along the axial direction because the inner tube 21 is not rotated.
  • the orientation of the core piece 17 can be known from the mark 19 by the core marker portion 24 and the direction of the drill head 12 detected by the gyro sensor 14 described later.
  • the core kicker portion 25 is formed by projecting a part of the upper portion of the core marker portion 24 in the core passage 22 in an inclined manner.
  • the core kicker portion 25 is for eccentrically moving the core 18 after the core 18 is introduced into the core passage 22 and passing through the core marker portion 24.
  • the core 18 is broken by this eccentricity to form the core piece 17. Therefore, the outer surface of the core piece 17 is marked with a straight mark 19 which is damaged by the core marker portion 24.
  • the core piece 17 to be folded by the core kicker portion 25 is obtained with a length of about 100 to 200 mm.
  • the drill head 60 has a hydraulic motor 12, a gear box 27, a drive gear 28 and a driven gear 29.
  • the hydraulic motor 12 is a rotational drive source that rotates the outer tube 20 of the core tube 11.
  • the hydraulic motor 12 is attached to the gear box 27 and applies a rotational force to the outer tube 20 in this attached state.
  • a drive gear 28 attached to the drive shaft of the hydraulic motor 12 is provided inside the gear box 27, and a driven gear 29 engaged with the drive gear 28 is provided.
  • a coupling cylinder 30 is attached to the upper portion of the outer tube 20 by screwing, and the driven gear 29 is attached to the coupling cylinder 30.
  • reference numeral 53 denotes a hydraulic hose for supplying hydraulic fluid from the main robot 3 to the hydraulic motor 12 of the drill head 60.
  • the inner tube 21 has the flange 31 at the upper end screwed to the fixing block 32 and the fixing block 32 is screwed to the gear box 27, the inner tube 21 is against the outer tube 20. It is in a non-rotating state. Therefore, when excavating the seabed ground 6, only the outer tube 20 is rotated, and the core tube 11 is advanced without rotating the inner tube 21.
  • the gyro sensor 14 is fixed to the gear box 27 so as to be located below the hydraulic motor 12 in the drill head 60.
  • the gyro sensor 14 is fixed to the outside of the gear box 27 of the drill head 60 and detects the orientation of the drill head 60 at the time of excavation.
  • the gyro sensor 14 is disposed in the pressure vessel.
  • the advancing mechanism 13 is formed of a pair of advancing cylinders 33 disposed so as to sandwich the connecting tube 10.
  • a clamping rod 34 is provided so as to extend in a linear direction in parallel with the pair of feed cylinders 33.
  • the clamp rod 34 is clamped to the clamp claw 73 of the first manipulator 7.
  • An upper plate 35 is connected to an upper portion of the clamp rod 34 and an upper portion of the piston rod 33 a of the feed cylinder 33.
  • connection tube 10 is inserted through the upper plate 35 so as to be movable up and down.
  • anchor plate 36 of the dance prevention mechanism 15 is connected to the lower portion of the clamp rod 34 and the lower portion of the piston rod 33 a of the feed cylinder 33.
  • the core tube 11 is vertically movably inserted into the anchor plate 36.
  • FIG. 12 shows the dance prevention mechanism 15.
  • the anti-dance mechanism 15 is formed by the anchor plate 36 and the anchor leg 37.
  • the anchor plate 36 is disposed so as to extend across the lower end of the clamp rod 34 and the lower end of the piston rod 33 a of the feed cylinder 33.
  • the anchor legs 37 are formed on the anchor plate 36 so as to be positioned at three equal positions around the core tube 11 (see FIG. 12).
  • a core rack 9 for accommodating the core pieces 17 is provided. As shown in FIG. 2, the core rack 9 is attached to the main robot 3. The core rack 9 holds the core case 38 switchably. The core case 38 accommodates the core pieces 17 individually, and is formed of a transparent resin.
  • a lever 41 and an operation ball 42 for rotating the lever 41 in one direction are provided.
  • the operation ball 42 is connected to the lever 41 via the operation wire 47.
  • the operation ball 42 is formed of a material that floats in water, and floats in the sea.
  • the core rack 9 is connected to the suction hose 16 from the sampling robot 2, and the rack plate 40 on the suction hose 16 side has a communication hole 46 for communicating the suction hose 16 with the core case 38. .
  • the core case 38 held by the rack main body 39 communicates with the core passage 22 of the inner tube 21 through the suction hose 16 by this communication. As a result, the core piece 17 introduced into the inner tube 21 enters the core case 38 and is collected.
  • Ratchet teeth 43 are formed on the rotation shaft of the rack body 39, and a ratchet lever (not shown) that engages with the ratchet teeth 43 is formed on the opposite part of the lever 41.
  • the rack body 39 rotates only in one direction.
  • reference numeral 44 denotes a pair of stopper pins for setting the rotation of the ratchet lever to an angle within a predetermined range (for example, 36 °)
  • reference numeral 45 denotes a return spring for returning the lever 41.
  • the distance between the pair of stopper pins 44 is set so as to switch the core case 38 such that the next adjacent core case 38 faces the communication hole 46 (suction hose 16) by the rotation of the rack body 39.
  • FIG. 11 shows the operation of switching the core case 38.
  • the operation wire 47 is clamped by the clamp claw 83 of the second manipulator 8 and the second manipulator 8 is rotated upward.
  • the lever 41 connected to the operation wire 47 rotates in the same direction in the range of the stopper pin 44.
  • the core case 38 of the next stage moves to the communication position with the suction hose 16 and enters the standby state for introduction of the core piece 17.
  • the lever 41 returns to its original position by the spring force of the return spring 45.
  • FIG. 1 shows a state in which the first manipulator 7 holds the sampling robot 2. In this state, the sampling robot 2 is moved to the sampling position by the swing and expansion / contraction operations of the first manipulator 7.
  • FIG. 4 shows the state where the sampling robot 2 has reached the sampling position, and the first manipulator 7 raises the sampling robot 2 with respect to the seabed ground 6.
  • the first manipulator 7 brings the sampling robot 2 into contact with the seabed ground 6. After that, as shown in FIG. 5, the first manipulator 7 presses the sampling robot 2 against the submarine ground 6 via the clamping rod 34 which clamps, and bites the anchor leg 37 of the dance prevention mechanism 15 into the submarine ground 6 Stabilize the drilling attitude. At this time, the first manipulator 7 maintains the clamp rod 34 in a clamped state, and the digging posture is also stabilized by this clamp.
  • the hydraulic motor 12 of the drill head 60 is driven to rotate the outer tube 20 and extend the feed cylinder 33 of the feed mechanism 13.
  • the core tube 11 feeds to excavate the submarine ground 6, and the core 18 is introduced into the core passage 22 of the non-rotated inner tube 21.
  • the suction pump 48 on the main robot 3 side is operating, and suction force is applied to the suction hose 16 and the core passage 22.
  • the orientation of the drill head 60 at the time of such excavation is detected by the gyro sensor 14, and this detection information is transmitted to the operation ship 4.
  • the core 18 introduced into the core passage 22 of the inner tube 21 passes through the core marker portion 24 provided in the core passage 22, and the outer surface is scratched by the core marker portion 24 during this passage.
  • the core 18 is marked with a straight mark 19 along the axial direction.
  • the core 18 moves in the core passage 22 by further advancement of the core tube 11, the core reaches the core kicker portion 25 and is broken by the core kicker portion 25 to become the core piece 17.
  • Marks 19 by the core marker portion 24 are attached to the core pieces 17.
  • the core piece 17 is moved from the core passage 22 into the suction hose 16 by the water flow generated in the suction hose 16 and the core passage 22 by the suction force of the suction pump 48. Then, it is transferred into the core case 38 of the core rack 9 at the end of the suction hose 16 and accommodated in the core case 38 (see FIG. 2).
  • a mark 19 is attached to the core piece 17 collected from the seabed ground 6 by excavation, and the direction of the drill head 60 at the time of excavation is detected by the gyro sensor 14. It can be identified.
  • the sampling robot 2 moves relative to the seabed ground 6, and the core piece 17 is collected in the inner tube 21 of the core tube 11 by driving the drill head 60 at the moved collection location, Core sampling from a wide area of the seabed ground 6 can be performed. Also, the inner tube 21 is made non-rotating, and the core 18 collected on the inner tube 21 is marked with 19 to make the core piece 17 and to detect the direction of the drill head 60 at the time of excavation. The orientation of 17 can be confirmed, and the distribution of the ground to be surveyed can be known with certainty.
  • FIGS. 13 to 17 show a core sampling device 1 according to another embodiment of the present invention, and the same members as those of the above embodiment are denoted by the same reference numerals.
  • 13 corresponds to FIG. 1 of the embodiment
  • FIG. 14 corresponds to FIG. 2
  • FIG. 15 corresponds to FIG. 4
  • FIG. 16 corresponds to FIG.
  • FIG. 17 shows a state in which the core is sampled by excavating in the lateral direction with respect to the rising ground on the seabed ground 6.
  • the place where the first manipulator 7 clamps the sampling robot 2 is different from that of the above embodiment, and the other configuration is the same as that of the above embodiment.
  • the upper plate 35 and the anchor plate 36 are integrally formed on the flat connection plate 52, and the connection plate 52, the upper plate 35 and the anchor plate 36 form a U-shaped support frame 54. doing.
  • the U-shaped support frame 54 forms the frame of the sampling robot 2.
  • a clamp cylinder 50 is provided on the upper plate 35 so as to protrude.
  • a hollow connection tube 10 is vertically movably inserted into the clamp cylinder 50, and a core tube 11 is detachably connected to the connection tube 10.
  • the inner tube 21 forming the core passage 22 is inserted into the outer tube 20 in a non-rotating state, and the outer tube 20 is rotated by the drive of the drill head 60.
  • the submarine ground 6 is excavated by the whole of the core tube 11 being advanced by the drive of.
  • the core 18 is introduced into the core passage 22 by this excavation, and the core 18 is broken in the core passage 22 to become the core piece 17. Also, the core piece 17 is marked with a mark 19 by the core marker portion 24.
  • Reference numeral 53 denotes a hydraulic hose for supplying hydraulic oil from the main robot 3 to the hydraulic motor 12 of the drill head 60.
  • the first manipulator 7 clamps the clamp cylinder 50.
  • the clamp cylinder 50 is formed of upper and lower flanges 50a and a cylindrical clamp 50b between the flanges 50a, as shown in FIGS. 14 to 16, and the clamp claw 73 of the first manipulator 7 is formed. Clamps the clamp portion 50b. In this clamp state, positional deviation of the clamp claw 73 can be prevented by the upper and lower flanges 50a. Further, the clamp portion 50b has a large outer diameter and can be clamped by a strong force.
  • the clamp cylinder 50 is provided on the support frame 54 that forms the frame of the sampling robot 2, movement of the sampling robot 2 in the sea by the operation of the first manipulator 7, grounding to the seabed ground 6, seabed ground It is possible to reliably maintain the digging posture of 6. For example, drilling with the sampling robot 2 in a standing state with respect to the seabed ground 6 (see FIG. 16), drilling from a lateral direction with respect to the rising ground of the seabed ground 6 (see FIG. 17), and in an oblique state Drilling can be performed stably.
  • the sampling robot 2 is moved relative to the seabed ground 6, and the core piece 17 is moved into the inner tube 21 of the core tube 11 by driving the drill head 60 at the moved sampling location. Core sampling from a wide area of the seabed ground 6 can be performed. Also, the inner tube 21 is made non-rotating, and the core 18 collected on the inner tube 21 is marked with 19 to make the core piece 17 and to detect the direction of the drill head 60 at the time of excavation. The orientation of 17 can be confirmed, and the distribution of the ground to be surveyed can be known with certainty.

Abstract

海底地盤の広範囲のコアサンプリングを可能とする。遠隔操作によって海中を移動するメインロボット３と、メインロボット３に取り付けられたマニピュレータ７に連結されて海底地盤に対して移動可能となっているサンプリングロボット２とを備える。サンプリングロボット２は、回転及び給進によって海底地盤を掘削すると共に掘削によって海底地盤のコア１８を導入すると共に導入したコア１８を折ってコア片１７とするコアチューブ１１を備える。メインロボット３は、コアチューブ１１内のコア１７片を収納するコアラック９を備える。

Description

海底地盤のコアサンプリング装置及びコアサンプリング方法
　本発明は、海底地盤の地質調査のために試料としてのコアを海底地盤から採取するコアサンプリング装置及びコアサンプリング方法に関する。
　海底地盤からコアを採取するため、従来より海底地盤のコアサンプリング装置が数多く開発されている（特許文献１～４参照）。これらの従来のコアサンプリング装置は、海底地盤上に鎮座した状態で海底地盤を掘削してコアを採取するものであり、海底地盤上に載置されるフレーム体を備えている。そして、コアチューブが取り付けられるスピンドル、スピンドルを回転させるモータやスピンドルを給進、後退させるモータ、モータに給電するバッテリー、その他の部品をフレーム体に取り付けることにより構成されている。
　以上の従来のコアサンプリング装置は、いずれも海底地盤上に鎮座した状態でコアサンプリングを行うものであり、モータが駆動することによりスピンドルが回転しながら給進し、この給進によってコアチューブが海底地盤を掘進してコアチューブ内にコアを採取している。
特開平７－２９３１８２号公報 特開平７－２１７３６１号公報 特開２００６－８３５５２号公報 特開２０１１－２２６０８４号公報
コバルトクラスト層やメタンハイドレート層等は海底地盤の表層部分に存在しており、これらの調査研究では海底地盤の表層部分から広範囲にコアを採取することが求められている。これに対し、従来のコアサンプリング装置は、大型且つ大重量であるため、海底地盤に対する頻繁な移動に適していない問題がある。このため、深さ１００～３００ｍｍ程度の海底地盤の表層部分の広範囲をサンプリングするには適していない。
又、従来のコアサンプリング装置では、採取したコアの方位を確認することができない。このためコバルトクラスト層やメタンハイドレート層等の調査対象地盤の分布を知ることができない問題を有している。
　本発明は、以上の問題点を考慮してなされたものであり、海底地盤に対して広範囲のコアサンプリングが可能な海底地盤のコアサンプリング装置及びコアサンプリング方法を提供することを目的とする。又、本発明は、採取したコアの方位の確認を可能とすることにより調査対象地盤の分布を知ることが可能とすることを目的とする。
　本発明の海底地盤のコアサンプリング装置は、遠隔操作によって海中を移動するメインロボットと、前記メインロボットに取り付けられたマニピュレータに連結されて海底地盤に対して移動可能となっているサンプリングロボットとを備え、前記サンプリングロボットは、回転及び給進によって前記海底地盤を掘削すると共に前記掘削によって海底地盤のコアを導入すると共に導入したコアを折ってコア片とするコアチューブを備え、前記メインロボットは、前記コアチューブ内のコア片を収納するコアラックを備えていることを特徴とする。
　本発明の海底地盤のコアサンプリング装置においては、前記コアチューブは、アウターチューブ及びコア通路が形成され前記アウターチューブ内で非回転となっているインナーチューブからなり、前記アウターチューブの回転状態で全体が給進して海底地盤を掘削することにより前記コア通路内に前記コアを導入すると共にコア通路内でコアを折ってコア片とする構造となっており、前記サンプリングロボットは、前記コアチューブを回転させるドリルヘッドと、前記コアチューブを給進させる給進機構と、前記掘削時における前記ドリルヘッドの向きを検出するジャイロセンサと、を備えている。
又、前記コアチューブは、前記コア通路の内部に設けられコア通路に導入されるコアに印を付けるコアマーカー部と、前記コア通路の内部に傾斜状に突出しており前記コア通路に導入されたコアを折ってコア片とするコアキッカー部と、を備えている。
　又、海底地盤のコアサンプリング装置においては、前記コアラックは、前記コアチューブで折られた前記コア片を収納するコアケースを複数保持すると共に、一のコアケースが前記コア片の収納位置に移動するようにコアケースの切り換えが可能となっている。
　さらに、前記コアラックは、前記複数のコアケースが円周上の等間隔で取り付けられた回転可能なラック本体を備え、前記ラック本体が回転して前記コアケースの切り換えが行われる。
　又、前記サンプリングロボットは、前記掘削時に海底地盤に食い込んで掘削姿勢を保つ踊り防止機構をさらに備えている。
　本発明の海底地盤のコアサンプリング方法は、遠隔操作によって海中を移動するメインロボットにマニピュレータを介してサンプリングロボットを連結し、前記サンプリングロボットを海底地盤に対して移動させた状態で前記サンプリングロボットに設けたコアチューブを回転及び給進させて海底地盤を掘削することにより海底地盤のコアをコアチューブに導入すると共にコアを折ってコア片とした後、前記コア片を前記メインロボットに設けたコアラックに収納することを特徴とする。
　本発明によれば、海中を移動するメインロボットにマニピュレータを介してサンプリングロボットを連結し、サンプリングロボットが海底地盤に対して移動してコアチューブに海底地盤のコアを採取するため、広範囲の海底地盤からのコアサンプリングが可能となる。
又、インナーチューブを非回転とし、このインナーチューブに採取されるコアに印を付けてコア片とすると共に掘削時のドリルヘッドの向きを検出するため、採取したコア片の方位を確認することができ、調査対象の地盤の分布を確実に知ることができる。
本発明の一実施形態のコアサンプリング装置の全体構成を示す概念図である。 コアサンプリング装置によるサンプリング状態を示す斜視図である。 サンプリングロボットを移動させる状態を示す側面図である。 海底地盤を掘削する姿勢を示す側面図である。 海底地盤を掘削している状態を示す側面図である。 コアチューブ、ドリルヘッド、ジャイロセンサの組み付け状態を示す一側面からの断面図である。 図６と異なった方向の側面からの断面図である。 コアチューブを示す断面図である。 コアチューブの内部を示す部分断面図である。 コアラックを示す分解斜視図である。 コアラックの動作を示す斜視図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は踊り防止機構を示す底面図及び側面図である。 本発明の別の実施形態の全体を示す概念図である。 別の実施形態のコアサンプリング装置によるサンプリング状態を示す斜視図である。 海底地盤を掘削する姿勢を示す側面図である。 海底地盤を掘削している状態を示す側面図である。 別の掘削姿勢を示す側面図である。
　　図１は、本発明の一実施形態のコアサンプリング装置１の全体構成を示す。この実施形態のコアサンプリング装置１は海底地盤６の本来のコアサンプリングを行うサンプリングロボット２に加えて、メインロボット３を備えている。メインロボット３はケーブル５を介して操作船４に連結されており、操作船４からの遠隔操作によってケーブル５を介して海中を移動する。メインロボット３はサンプリングロボット２が駆動するための電力、油圧等をサンプリングロボット２に供給する。これらの供給は操作船４からの指令によって行われる。
　図２はサンプリング状態を示す。図１及び図２に示すように、メインロボット３は第１マニピュレータ７及び第２マニピュレータ８を備えている。いずれか一方のマニピュレータ７又は８（図示例では第１マニピュレータ７）がサンプリングロボット２を掴んでサンプリングロボット２を海底地盤６に対して移動させる。これによりサンプリングロボット２が海底地盤６のサンプリング位置まで移動してコアサンプリング動作を行う。他方のマニピュレータ７又は８（図示例では第２マニピュレータ８）は、後述するコアラック９の切り換え動作を行う。この実施形態では、コアラック９がメインロボット３に取り付けられるものである。２基のマニピュレータ７、８の動作は操作船４からの指令によって制御されている。
　それぞれのマニピュレータ７、８は複数のアーム部７１、８１が関節部７２、８２によって連結されており、基端側のアーム部７１、８１がブラケット部７４、８４を介してメインロボット３に取り付けられ、先端側のアーム部７１、８１にクランプ爪７３、８３が取り付けられている。複数のアーム部７１、８１が関節部７２、８２を介して連結されることによりマニピュレータ７、８は屈曲、旋回、伸縮動作可能となっている。各クランプ爪７３、８３は油圧によって開閉動作する。後述するように第１マニピュレータ７のクランプ爪７３はサンプリングロボット２に対して動作し、第２マニピュレータ８のクランプ爪８３はコアラック９に対して動作する。
　図３～図７はサンプリングロボット２を示す。これらの図及び図２に示すように、サンプリングロボット２は、中空の連結チューブ１０を備え、この連結チューブ１０にコアチューブ１１が着脱自在に連結され、このコアチューブ１１の周囲にドリルヘッド６０、給進機構１３、ジャイロセンサ１４、踊り防止機構１５が配置されることにより構成されている。
　図６及び図７に示すように、中空の連結チューブ１０にはコアチューブ１１が同軸的に連結されることにより連結チューブ１０の内部とコアチューブ１１のインナーチューブ２１の内部（コア通路２２）とが連通する。又、連結チューブ１０におけるコアチューブ１１との反対側の端部には、サクションホース１６が連結される（図２参照）。サクションホース１６はメインロボット３側に配置されたサクションポンプ４８（図３及び図４参照）に連結されている。これによりコア通路２２内に導入されたコア片１７を連結チューブ１０からサクションホース１６に移動させた後、後述するコアラック９へ移送させることができる。
　図８及び図９はコアチューブ１１を示す。コアチューブ１１は、アウターチューブ２０の内部にインナーチューブ２１が挿入された二重管構造となっている。アウターチューブ２０の先端部には海底地盤６を掘削するチップ２３が複数取り付けられている。
　インナーチューブ２１はアウターチューブ２０に対し非回転の状態で同チューブ２０内に挿入される。インナーチューブ２１はコア通路２２が軸方向に貫通した中空状となっており、海底地盤６への掘削により海底地盤６のコア１８がコア通路２２内に導入される。インナーチューブ２１の先端部分にはコアマーカー部２４が形成され、コアマーカー部２４の上部にはコアキッカー部２５が形成されている。
コアマーカー部２４はインナーチューブ２１のコア通路２２の内部に突出する刃体からなり、掘削によってコア通路２２内に導入されるコア１８の外面を傷つけて印１９を形成する。コアマーカー部２４によってコア１８（コア片１７）に形成する印１９はインナーチューブ２１が非回転となっているため、軸方向に沿った直線状の傷となる。かかるコアマーカー部２４による印１９と後述するジャイロセンサ１４が検出するドリルヘッド１２の向きとによってコア片１７の方位を知ることができる。
　コアキッカー部２５はコア通路２２におけるコアマーカー部２４の上部の一部を傾斜状に突出させることにより形成されている。コアキッカー部２５はコア１８がコア通路２２に導入されてコアマーカー部２４を通過した後にコア１８を偏心させるものであり、この偏心によってコア１８が折られてコア片１７となる。従って、コア片１７の外面にはコアマーカー部２４によって傷つけられた直線状の印１９が付されている。なお、コアキッカー部２５によって折られるコア片１７としては、１００～２００ｍｍ程度の長さで得られるものである。
　図２、図６及び図７に示すように、ドリルヘッド６０は油圧モータ１２、ギアボックス２７、駆動ギア２８、従動ギア２９を有している。油圧モータ１２はコアチューブ１１のアウターチューブ２０を回転させる回転駆動源となる。油圧モータ１２はギアボックス２７に取り付けられ、この取り付け状態でアウターチューブ２０に回転力を付与する。このため、ギアボックス２７の内部には油圧モータ１２の駆動軸に取り付けられた駆動ギア２８が設けられると共に、駆動ギア２８に噛合した従動ギア２９が設けられている。アウターチューブ２０の上部にはカップリング筒３０がねじ止めにより取り付けられており、従動ギア２９はこのカップリング筒３０に取り付けられている。これにより、油圧モータ１２が駆動すると、駆動ギア２８、従動ギア２９及びカップリング筒３０を介して回転力がアウターチューブ２０に伝達されアウターチューブ２０が回転する。図２～図４において、符号５３はメインロボット３からドリルヘッド６０の油圧モータ１２に作動油を供給する油圧ホースである。
　これに対し、インナーチューブ２１は上端のフランジ部３１が固定ブロック３２にねじ止めされており、この固定ブロック３２がギアボックス２７にねじ止めされているため、インナーチューブ２１はアウターチューブ２０に対して非回転の状態となっている。従って、海底地盤６の掘削に際しては、アウターチューブ２０だけが回転し、インナーチューブ２１は回転することがない状態でコアチューブ１１が給進する。
　ジャイロセンサ１４はドリルヘッド６０における油圧モータ１２の下方に位置するようにギアボックス２７に固定される。ジャイロセンサ１４はドリルヘッド６０のギアボックス２７の外側に固定されており、掘削時におけるドリルヘッド６０の向きを検出する。なお、図示例においては、ジャイロセンサ１４は圧力容器内にセットされた状態で配置されている。
　図２、図６及び図７に示すように、給進機構１３は連結チューブ１０を挟むように配置された一対の給進シリンダ３３によって形成されている。この給進機構１３及び周辺部材の構造を説明する。
　一対の給進シリンダ３３と平行となって直線方向に延びるようにクランプ用ロッド３４が設けられている。図２に示すように、クランプ用ロッド３４は第１マニピュレータ７のクランプ爪７３にクランプされる。第１マニピュレータ７にクランプされることにより、第１マニピュレータ７の作動によりサンプリングロボット２の全体が海底地盤６に対して移動可能となる。
クランプ用ロッド３４の上部及び給進シリンダ３３のピストンロッド３３ａの上部には、アッパープレート３５が連結されている。アッパープレート３５には連結チューブ１０が上下動可能に挿通している。一方、クランプ用ロッド３４の下部及び給進シリンダ３３のピストンロッド３３ａの下部には、踊り防止機構１５のアンカープレート３６が連結されている。アンカープレート３６にはコアチューブ１１が上下動可能に挿通している。
このような構造では、第１マニピュレータ７がサンプリングロボット２を海底地盤６のサンプリング位置に接地した後、一対の給進シリンダ３３が伸長動作すると、連結チューブ１０及びコアチューブ１１が給進する。これと共に、ドリルヘッド６０及びジャイロセンサ１４が一体的に給進する。
　図１２は踊り防止機構１５を示す。踊り防止機構１５はアンカープレート３６及びアンカーレッグ３７によって形成されている。アンカープレート３６はクランプ用ロッド３４の下端及び給進シリンダ３３のピストンロッド３３ａ下端に掛け渡されるように配置されている。アンカーレッグ３７はコアチューブ１１周囲の三等分位置に位置するようにアンカープレート３６に形成されている（図１２参照）。踊り防止機構１５はサンプリングのためにサンプリングロボット２が海底地盤６に接地されたとき、第１マニピュレータ７による押し込み力によってアンカーレッグ３７が海底地盤６に食い込む。これにより、掘削時のサンプリングロボット２の姿勢を保つことができる。
　この実施形態においては、コア片１７を収容するためのコアラック９が設けられる。図２に示すように、コアラック９はメインロボット３に取り付けられている。コアラック９はコアケース３８を切り換え可能に保持するものである。コアケース３８はコア片１７を個々に収容するものであり、透明樹脂によって形成されている。
　図１０及び図１１はコアラック９を示す。複数本（例えば１０本）の筒状のコアケース３８が円周上に等間隔に取り付けられたラック本体３９と、ラック本体３９を挟む一対のラック板４０と、ラック本体３９を回転させるためのレバー４１と、レバー４１を一方向に回動させるための操作ボール４２とを備えている。操作ボール４２は操作ワイヤ４７を介してレバー４１に連結される。操作ボール４２は水に浮く材料によって形成されており、海中内で浮遊した状態となる。このコアラック９はサンプリングロボット２からのサクションホース１６に接続されるものであり、サクションホース１６側のラック板４０はサクションホース１６とコアケース３８とを連通させるための連通孔４６が形成されている。この連通によりラック本体３９に保持されたコアケース３８はサクションホース１６を介してインナーチューブ２１のコア通路２２と連通する。これによりインナーチューブ２１に導入されたコア片１７がコアケース３８に入り込んで採取される。
　ラック本体３９の回転軸にはラチェット歯４３が形成されており、レバー４１の対向部分にはラチェット歯４３に噛み込むラチェットレバー（図示省略）が形成されている。これによりラック本体３９は一方向にのみ回転する。図１０において、符号４４はラチェットレバーの回転を所定範囲の角度（例えば３６°）とするための一対のストッパピン、符号４５はレバー４１を復帰させるためのリターンスプリングである。一対のストッパピン４４の間隔は、ラック本体３９の回転によって、次に隣接するコアケース３８が連通孔４６（サクションホース１６）に臨むようにコアケース３８を切り換えるように設定される。
　図１１はコアケース３８を切り換える動作を示す。第２マニピュレータ８のクランプ爪８３によって操作ワイヤ４７をクランプし、第２マニピュレータ８を上方に回動させる。これにより、操作ワイヤ４７に連結されたレバー４１がストッパピン４４の範囲内を同方向に回動する。この回動により次段のコアケース３８がサクションホース１６との連通位置に移動してコア片１７導入の待機状態となる。第２マニピュレータ８のクランプ爪８３によるクランプを解除すると、リターンスプリング４５のばね力によりレバー４１が元の位置に復帰する。
　次に、海底地盤６からコア片１７を採取する動作について説明する。
図１に示すように、第１マニピュレータ７がクランプ用ロッド３４をクランプすることによりサンプリングロボット２を保持した状態とし、この状態でメインロボット３を海底地盤６の採取現場付近に移動させる。図３は第１マニピュレータ７がサンプリングロボット２を保持した状態であり、この状態で第１マニピュレータ７の旋回、伸縮動作によってサンプリングロボット２を採取位置に移動させる。図４はサンプリングロボット２が採取位置に達した状態であり、第１マニピュレータ７は海底地盤６に対してサンプリングロボット２を起立状態とする。
　この状態で第１マニピュレータ７はサンプリングロボット２を海底地盤６に接地させる。その後、図５に示すように第１マニピュレータ７はクランプしているクランプ用ロッド３４を介してサンプリングロボット２を海底地盤６に押し付け、踊り防止機構１５のアンカーレッグ３７を海底地盤６に食い込ませて掘削姿勢を安定させる。このとき第１マニピュレータ７はクランプ用ロッド３４をクランプした状態を維持しており、このクランプによっても掘削姿勢が安定する。
　その後、ドリルヘッド６０の油圧モータ１２を駆動してアウターチューブ２０を回転させると共に給進機構１３の給進シリンダ３３を伸長させる。これによりアウターチューブ２０が回転しながらコアチューブ１１が給進して海底地盤６を掘削し、非回転状態のインナーチューブ２１のコア通路２２内にコア１８が導入される。このとき、メインロボット３側のサクションポンプ４８が作動しており、サクションホース１６及びコア通路２２内に吸引力が作用している。かかる掘削時におけるドリルヘッド６０の向きはジャイロセンサ１４によって検出されており、この検出情報が操作船４に送信される。
　図９に示すように、インナーチューブ２１のコア通路２２内に導入されたコア１８は、コア通路２２に設けたコアマーカー部２４を通過し、この通過時にコアマーカー部２４によって外面が傷付けられ、これによりコア１８には軸方向に沿った直線状の印１９が付される。さらなるコアチューブ１１の給進によってコア１８がコア通路２２を移動すると、コアキッカー部２５に到達し、コアキッカー部２５によって折られてコア片１７となる。このコア片１７にはコアマーカー部２４による印１９が付けられている。コア片１７はサクションポンプ４８の吸引力によってサクションホース１６及びコア通路２２内に生じた水流によってコア通路２２からサクションホース１６内に移動する。そして、サクションホース１６の終端でコアラック９のコアケース３８内に移送され、コアケース３８内に収容される（図２参照）。
　このようなサンプリングでは、掘削によって海底地盤６から採取されるコア片１７に印１９を付けると共に、掘削時のドリルヘッド６０の向きをジャイロセンサ１４が検出するため、採取したコア片１７の方位を特定することができる。
　以上の動作の後においては、サンプリングロボット２を別の場所に移動させることにより別の場所でのコア片１７の採取を行うことができる。又、コアチューブ１１を長くしたり、連結チューブ１０を継ぎ足すことにより同一掘削孔でのサンプリングを連続して行うことも可能である。
　このような実施形態によれば、サンプリングロボット２が海底地盤６に対して移動し、移動した採取場所でドリルヘッド６０の駆動によりコアチューブ１１のインナーチューブ２１内にコア片１７を採取するため、広範囲の海底地盤６からのコアサンプリングを行うことができる。又、インナーチューブ２１を非回転とし、インナーチューブ２１に採取されるコア１８に印１９を付けてコア片１７とすると共に掘削時のドリルヘッド６０の向きを検出するため、これらにより採取したコア片１７の方位を確認することができ、調査対象の地盤の分布を確実に知ることができる。
　図１３～図１７は、本発明の別の実施形態のコアサンプリング装置１を示し、上記実施形態と同一の部材には同一の符号を付してある。図１３は上記実施形態の図１に、図１４は図２に、図１５は図４に、図１６は図５にそれぞれ対応している。図１７は海底地盤６における立ち上がり地盤に対し横方向に掘削してコアをサンプリングする状態を示す。この実施形態においては、第１マニピュレータ７がサンプリングロボット２をクランプする箇所が上記実施形態と異なるものであり、その他の構成は上記実施形態と同様である。
　サンプリングロボット２においては、アッパープレート３５とアンカープレート３６とが平板状の連結プレート５２に一体的に形成され、連結プレート５２、アッパープレート３５及びアンカープレート３６の全体でコ字形の支持フレーム５４を形成している。コ字形の支持フレーム５４はサンプリングロボット２の骨格を形成するものである。
　アッパープレート３５には、クランプ用筒体５０が突出するように設けられている。クランプ用筒体５０には、中空の連結チューブ１０が上下動可能に挿通し、この連結チューブ１０にコアチューブ１１が着脱自在に連結されている。
コアチューブ１１はコア通路２２を形成するインナーチューブ２１がアウターチューブ２０の内部に非回転状態で挿入されており、ドリルヘッド６０の駆動によってアウターチューブ２０が回転し、この回転状態で給進機構１３の駆動によってコアチューブ１１の全体が給進することにより海底地盤６を掘削する。この掘削によりコア通路２２内にコア１８が導入され、コア通路２２内でコア１８が折られることによりコア片１７となる。又、コア片１７にはコアマーカー部２４によって印１９が付けられる。さらにはジャイロセンサ１４がドリルヘッド６０の向きを検出する。以上の構造は上記実施形態と同様である。符号５３は、メインロボット３からドリルヘッド６０の油圧モータ１２に作動油を供給するための油圧ホースである。
　この実施形態において、第１マニピュレータ７はクランプ用筒体５０をクランプする。クランプ用筒体５０は図１４～図１６に示すように、上下の鍔部５０ａと、鍔部５０ａの間の筒状のクランプ部５０ｂとによって形成されており、第１マニピュレータ７のクランプ爪７３はクランプ部５０ｂをクランプする。
このクランプ状態では、上下の鍔部５０ａによってクランプ爪７３の位置ずれを防止できる。又、クランプ部５０ｂは外径が大きくなっており、強い力でクランプすることができる。さらにクランプ用筒体５０がサンプリングロボット２の骨格を形成する支持フレーム５４に設けられているため、第１マニピュレータ７の作動によるサンプリングロボット２の海中内の移動、海底地盤６への接地、海底地盤６の掘削姿勢の保持を確実に行うことができる。例えば、海底地盤６に対してサンプリングロボット２を立ち上がり状態とした掘削（図１６参照）や海底地盤６の立ち上がり地盤に対して横方向からの掘削（図１７参照）、さらには、斜め状態での掘削を安定して行うことができる。
　以上の図１３～図１７に示す実施形態においても、サンプリングロボット２が海底地盤６に対して移動し、移動した採取場所でドリルヘッド６０の駆動によりコアチューブ１１のインナーチューブ２１内にコア片１７を採取するため、広範囲の海底地盤６からのコアサンプリングを行うことができる。又、インナーチューブ２１を非回転とし、インナーチューブ２１に採取されるコア１８に印１９を付けてコア片１７とすると共に掘削時のドリルヘッド６０の向きを検出するため、これらにより採取したコア片１７の方位を確認することができ、調査対象の地盤の分布を確実に知ることができる。
１…コアサンプリング装置、２…サンプリングロボット、３…メインロボット、６…海底地盤、７…第１マニピュレータ、８…第２マニピュレータ、９…コアラック、１０…連結チューブ、１１…コアチューブ、１２…油圧モータ、１３…給進機構、１４…ジャイロセンサ、１５…踊り防止機構、１６…サクションホース、１７…コア片、１８…コア、１９…印、２０…アウターチューブ、２１…インナーチューブ、２２…コア通路、２４…コアマーカー部、２５…コアキッカー部、３３…給進シリンダ、３７…アンカーレッグ、６０…ドリルヘッド

Claims (7)

  1. 　遠隔操作によって海中を移動するメインロボットと、前記メインロボットに取り付けられたマニピュレータに連結されて海底地盤に対して移動可能となっているサンプリングロボットとを備え、
    　前記サンプリングロボットは、回転及び給進によって前記海底地盤を掘削すると共に前記掘削によって海底地盤のコアを導入すると共に導入したコアを折ってコア片とするコアチューブを備え、
    　前記メインロボットは、前記コアチューブ内のコア片を収納するコアラックを備えていることを特徴とする海底地盤のコアサンプリング装置。
  2. 　前記コアチューブは、アウターチューブ及びコア通路が形成され前記アウターチューブ内で非回転となっているインナーチューブからなり、前記アウターチューブの回転状態で全体が給進して海底地盤を掘削することにより前記コア通路内に前記コアを導入すると共にコア通路内でコアを折ってコア片とする構造となっており、
    　前記サンプリングロボットは、前記コアチューブを回転させるドリルヘッドと、前記コアチューブを給進させる給進機構と、前記掘削時における前記ドリルヘッドの向きを検出するジャイロセンサと、を備えていることを特徴とする請求項1記載の海底地盤のコアサンプリング装置。
  3. 前記コアチューブは、前記コア通路の内部に設けられコア通路に導入されるコアに印を付けるコアマーカー部と、前記コア通路の内部に傾斜状に突出しており前記コア通路に導入されたコアを折ってコア片とするコアキッカー部と、を備えていることを特徴とする請求項２記載の海底地盤のコアサンプリング装置。
  4. 　前記コアラックは、前記コアチューブで折られた前記コア片を収納するコアケースを複数保持すると共に、一のコアケースが前記コア片の収納位置に移動するようにコアケースの切り換えが可能となっていることを特徴とする請求項１記載の海底地盤のコアサンプリング装置。
  5. 　前記コアラックは、前記複数のコアケースが円周上の等間隔で取り付けられた回転可能なラック本体を備え、前記ラック本体が回転して前記コアケースの切り換えが行われることを特徴とする請求項４記載の海底地盤のコアサンプリング装置。
  6. 　前記サンプリングロボットは、前記掘削時に海底地盤に食い込んで掘削姿勢を保つ踊り防止機構をさらに備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の海底地盤のコアサンプリング装置。
  7. 　遠隔操作によって海中を移動するメインロボットにマニピュレータを介してサンプリングロボットを連結し、前記サンプリングロボットを海底地盤に対して移動させた状態で前記サンプリングロボットに設けたコアチューブを回転及び給進させて海底地盤を掘削することにより海底地盤のコアをコアチューブに導入すると共にコアを折ってコア片とした後、前記コア片を前記メインロボットに設けたコアラックに収納することを特徴とする海底地盤のコアサンプリング方法。
     
     
     
     
     
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