A numerous number of researches has been conducted in order to improve the excavation performance to conquer the depth and the strength of soil leading to the creation of robust drilling equipment but bulky and colossal in size. In addition, excavated soil removal has always become an issue and the existing digging tools try to compensate this by utilizing mud or slurry. Consequently, excavation in a shallow area filled with loose and weak soil becomes highly challenging. In order to overcome these limitations, digging manner of burrowing animals is investigated and implemented. The key components for digging are their teeth and limbs, which also take a huge role in removing the soil waste. In this design, a combination of a drill bit and linkage mechanism are utilized to represent the function of burrowing animals’ teeth and forelimbs. Regarding the high degree-of-freedom in the movement of animals’ head, they are able to establish holes that are bigger compared to the size of their head. Therefore, to generate a similar outcome yet simplifying the complexity, the expandable drill bit structure is proposed in this study. By applying this method, a collision between drill bit and forelimbs can be avoided. Additionally, since this design focuses on providing small-scale digging tools for shallow excavation, a novel mechanism, which allows both rotating and expanding/folding the drill bit with only one actuator, is introduced. The excavation performance of the proposed system is evaluated using dynamic simulation.
깊은 시추 심도 및 강한 지반 강도를 가지는 지반에서의 굴착 성능을 향상시키기 위한 많은 연구들이 진행되었지만, 그 결과 장비의 부피가 거대해졌다. 또한 굴착 된 토양의 제거는 머드와 슬러리를 이용하여 처리되고 있으며, 이러한 제거 방법으로 인해 환경 문제가 대두되고 있다. 결과적으로 연약한 토양으로 이루어진 얕은 지역에서의 굴착은 매우 까다롭게 된다. 이러한 한계점을 극복하기 위해 동물의 굴착 습성이 조사 및 연구되고 있다. 굴착을 위한 주요한 요소는 치아와 다리로, 토양 잔해를 제거하는데 중요한 역할을 한다. 본 논문에서는 드릴 비트와 링크 구조를 결합한 메커니즘으로 동물의 치아와 앞발의 기능을 모사한다. 동물 머리의 움직임은 높은 자유도를 가지기 때문에 머리의 크기보다 넓은 굴착공을 형성할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 이와 유사한 결과의 도출이 가능함과 동시에 높은 자유도에 따른 복잡성을 단순화하기 위해 확장 가능한 드릴 비트 구조를 제안한다. 제안된 방법을 적용하여 드릴 비트와 앞발의 움직임 사이의 충돌을 방지할 수 있다. 또한 제안된 설계 구조는 얕은 지반에서의 소규모 굴착에 중점을 두고 있기 때문에 단일 액추에이터를 이용하여 드릴 비트의 회전과 확장/축소 기능을 동시에 구현한다. 제안된 시스템의 굴착 성능은 동적 시뮬레이션을 통해 평가한다.
