资源描述
附录 1：外文翻译火车驾驶室前清洗机器人的系统和概念设计Tetsuo Tomiyama，Luis Rubio Garca，Andra Krlin，Gerard Taykaldiranian 克兰菲尔德大学，50 楼，制造部，克兰菲尔德 MK46 0AL，英国摘要：本文介绍并简要描述了用于获取火车驾驶室前清洁机器人的系统和概念设计的方法。虽然列车的两侧用机械洗衣机清洗，但是驾驶室前部依旧是手动清洗，这会导致一些健康和安全问题。这个项目的目的首先是对目前的程序进行分析，以便检测过程中可能存在的差距，同时生成一个要求清单，从而实现满足这些要求的清洁系统的概念设计。同时提出的解决方案包括在各个子系统中划分系统，每个子系统的不同解决方案都将被考虑，分析和选择作为开发原型的最终选择。本文重点介绍了保持末端执行器的机器人的主要结构;并且显示出符合系统设计中要求的不同概念设计。关键词：清洁机器人，系统设计，概念设计，产品开发。1 简介火车外部清洁通常由机械洗衣机进行。然而，这个洗衣机仅能清洗机身的两侧。它不会清洁驾驶室前鼻部分或车厢之间的车身端面板。火车驾驶室前鼻通常由复杂的形状组成，而车厢之间的车身端板有时根本不被清理。这导致了大量的（工人）体力劳动， 用于外部机身的洗涤，并由此产生了一些健康和安全问题，包括（工人）在 25kV 电压架空电线下工作，围绕电气化的第三条轨道工作，并在高处工作，特别是在夜间和恶劣天气下条件下有较大的问题。（看图 1）图 1：执行火车驾驶室前方清洁程序的车厂工作人员。在英国的每个车站，驾驶室前部清洁都以非常相似的方式进行。可是，它缺乏任何标准程序，效率和后处理检查。有时这个过程提供的时间很短，每次进程也略有不同。在擦洗火车表面时施加的压力是不同的，用于清洁前驾驶室鼻部的不同区域的时间是相对随机的，并且每次洗涤剂和水的施用量也不恒定。由于上述提到的原因，克兰菲尔德大学与赫里瓦特大学合作，提出了驾驶室前清洁机器人的可行性研究。本文介绍了该系统和机械设计方面的研究（内容）。根据新产品开发流程，这个想法在筛选阶段，通过访问不同的车站，着重于数据收集，分析当前流程，以确定差距并开发基于并发工程实践的系统设计。这导致要获得设计要求和创建功能图以便建立概念设计所必需的规范。一旦规范被指出，系统被划分在不同的子系统中，接下来主要的就是机器人手臂清洁器的末端执行器。等评估了不同的解决方案，就可以在在项目的下一阶段为原型提供许多候选方案。2 目标和目的2.1 目标该项目的目的是开发一种用于火车头鼻部以及车身端面板的半自动机器人清洁器的概念原型机。该项目的这个阶段侧重于执行并行创新设计，以解决机械结构和末端执行器的设计。除了通过本文后面将要解释的方法检测具体要求外，系统还应具有成本效益，可靠性，可改写性和易于操作的要求。在科学方法方面，本文提出的程序必须回答两个不同的问题。首先是系统需要多少设备或臂部。 其次，为最终效应器设计提供基础的最佳手臂机制是什么？2.2 目的整个项目的主要目的是：z 考虑到车站目前的基础设施来设计整个系统。z 考虑到机器人手臂的控制方面，设计要包括运动学分析，动力学分析和臂设计优化。z 设计包括化学品和供水的清洁装置（末端执行器），刷子移动机构和接触检测机构。z 设计用于表面检测和表面覆盖的机器人手臂控制系统，用于列车驾驶室前鼻和车厢之间的清洁。z 建立一个 1/10 的规模示范，证明这一概念的可行性。虽然本文提出的程序的主要目标是：42z 介绍驾驶室前台清洁程序的实际情况的详细报告，指出差距和可能的改进领域。z 使用基于集合的并行工程方法建立需求和设计参数列表z 介绍符合规格要求的清洁装置的概念设计，并将其作为基础工程或前端工程设计（FEED）阶段的出发点。3 方法该项目旨在解决融合和设计火车清洁自主机器人的可行性问题。这实质上是一个新产品开发的项目。市场上的任何产品都会尝试解决其买家潜在寻求解决的问题。在这种情况下也是如此，按照 Goffin 的指导，他创建了以下方法的第一部分。第一步，数据采集是最重要的，因为如果客户的问题没有得到有效的收集或者通信不畅，那么终端产品很可能无法提供所需的性能。下一步是数据处理，其中收集的信息被组织并转换为工程语言。这允许以客观和可量化（尽可能多的）观点来看待项目。这是在方法论最后阶段成功解决方案开发的基础。在这个阶段，想法被创造和测试，最好的是发展成概念， 最终设计最好的原型被选为原型。虽然整个项目还包括原型建造和测试，这超出了本文的范围。图 2：整体项目方法。4 当前清洁程序4.1 数据采集为了在设计阶段实现最佳解决方案，关键在于正确的客户需求。为了获得有关当前清洁程序的最佳信息，（我们）访问了三个不同的仓库。该团队访问了位于伦敦温布利的希尔顿柴油火车站，伦敦地铁站中在威尔斯顿交界处和中央河流的庞巴迪柴油火车站。对于每次访问，准备了一份问题清单和所需文件清单，并与主机通信。使用照片和视频，也使用 Google 探戈设备进行 3D 扫描。这是数据采集的重要组成部分，因为清洁区域和火车本身的 3D 模型比钝态照片更有帮助。使用 3D 模型还允许团队获取在该站点无法访问的某些细节的测量。清洁程序视频所提供的信息和清洁过程直接相关的员工的见解帮助团队形成当前状况的整体形象。图 3：广义普通清洗程序的功能图。如图 3 所示，目前的清洁程序由几个步骤组成。清理整个列车是维修计划的一部分，许多车站组合成一个连续的操作系统。但是，前排舱清洁是单独进行的。主要原因是火车必须被带到维修棚，其中沟渠和其他基础设施提供维护工作，并有相对便利的清洁空间。一些车站在加油站进行驾驶室前部清洁，除了清洁之外，火车还配有燃料和淡水，废水被排出。在使用位于车站其他地方的指定自动化机器对列车的侧面清洁之前或之后执行这个过程。无论侧面和正面清洁的后勤顺序如何，驾驶室前部的清洁仍然是一个繁重的人工作业。由于这种性质，它给清洁工带来健康和安全风险。最明显和严重的问题是如果水接触架空线或携带高电压的第三条线路，工人则可能会触电。因此，普通家用压力水软管被禁止使用，这对清洁性能造成很大影响。同样如图 1 所示，清洁工必须在湿滑混凝土上进行沟槽周围的维修工作，这很有可能让工人落入沟槽。另外，清洁器竖立在地面上， 并且工人必须使用安装在长柄上的刷子清洁驾驶室前部的顶部，这导致身体姿势的尴尬以及在该区域中驾驶室前面中部和下部相比清洁性能较差。这是一个问题，因为最重要的清洁目标通常是位于火车上半部的挡风玻璃。所有这些问题和风险导致自动清洗将提高清洁性能而且能够消除车厂员工严重健康和安全风险的这个结论。此外，人力资源将从紧密而重复的任务中解脱出来，可以花更多的时间来实现更重要的维修工作。考虑到上述所有情况,（我们）确定了上述过程中的主要差距。它们将作为项目后期设计解决方案的重点。5 一般要求略6 概念设计略7 结论对当前手动前端清洁领域的广泛分析为我们指出了可以改进的领域，从而能实现更好的清洁性能，并且能将清洁人员从潜在的健康和安全不友好的工作环境中释放出来。这些领域是系统开发的起点，也是新系统的成果交付的关键。在这之后我制定了系统要求，并建立了系统结构。在本文中，主要关注的是机器人臂的设计，该机器人手臂实际上执行清洁本身的末端执行器.手臂设计至关重要，因为它决定了新清洁程序的局限性和可能性，并且在物理和操作上将其融入当前的车站中.设计阶段共提供了两种可能的设计。虽然他们看起来非常不一样，但他们都能够很好地执行子系统的所要求的任务。而且复杂性也不能区分; 都是 6 自由度系统。相似性仅在两臂的设计选择中看到，即每列车一侧,这种设计减轻了手臂的应力设计，提高了清洁性能。该过程是现在转向基础和末端执行器的概念设计，最终的概念也将考虑到控制系统。此外，还将对车站的清洁顺序进行整合分析。所有这些都应该提供额外的要求，因为这将有助于选择最佳的手臂设计。一旦选择了最终解决方案，概念设计阶段结束，基础工程或前端工程设计（FEED） 阶段将开始，并将概念优化以构建原型。致谢这项研究得到铁路安全和标准委员会（RSSB）的支持。我们感谢 Heriot-Watt 大学， 庞巴迪运输公司，Chiltern 铁路公司和 Shadow Robot 公司的合作伙伴，他们提供了极大的协助研究的洞察力和专业知识。参考文献1G.Bonnema,K.Veenvliet,and J.Broenink,SystemsDesign and Engineering:Facilitating Multidisciplinary Development Projects. 2015.2A. Al-Ashaab, M. Golob, U. M. Attia, M. Khan, J. Parsons, A. Andino, A. Perez, P.Guzman, A.Onecha, S. Kesavamoorthy, G.Martinez, E. Shehab, A. Berkes, B.Haque, M.Soril,and A.Sopelana,“The transformation of product development process into lean environment using set-based concurrent engineering: A case study from an aerospace industry,” Concurr. Eng., vol. 21, no. 4, pp. 268285, Dec. 2013.3K. Goffin and R. Mitchell, Innovation Management:Strategy and Implementation using the Pentathlon Framework, 2nd edition. Palgrave Macmillan, 2010.4M.S.Erden and J.Moura,“Control and path planning approach for a cab front cleaningrobot,” in The 5th International Conference on Through-life Engineering Services, 2016, (this publication).附录 2：外文原文42
展开阅读全文