Powertrain and steering modules for the NMBU agricultural robot

Abstract

The main purpose of this thesis is to make the NMBU agricultural robot very modular, and determine new components for the drivetrain and steering. The new robot will be available in four different versions. The most powerful version will have 4WD and 4WS. Two versions will have 2WD. The difference between them is that one will only have propulsion motors and use skid steering, while the other one will have Ackerman steering on the wheels with propulsion. The last version is a three-wheel robot, with steering and propulsion on one wheel. This will be very narrow, and is practical for simple tasks. Three modules are designed: with propulsion and steering, only propulsion, and a passive module with caster wheels. The casters have not been delivered, so the design of this module is not completed when this thesis is sent to printing. The principle design of the first robot is used as foundation, and the module with both propulsion and steering is considered the main module. The other modules are based on the design of the main module. The power requirements are calculated after worst case scenario that can be expected. The new propulsion motor is a BLDC with a power of 500 W. Even though it is weaker than the previously used motor, the calculations confirms that it is strong enough for the robot to work in the worst expected conditions. The planetary gearbox is very tough, and can be immersed in 1 m of water due to its IP67 certification. The whole module is designed to be waterproof, and glue is used between parts to prevent water from leaching in to the modules. The propulsion motor used for steering is the same type as the propulsion motor, only weaker. The motor is flipped upside-down, and a belt transmission is inserted to make the tower lower. As for the steering gearbox, it has been reduced to a one stage planetary gear due to the reduction ratio in the belt drive. The tower construction is very compact. Light weight is highly prioritized, and aluminum is used as the main material. Components that must be very durable are made in steel. The modules will mainly be assembled by riveting. This technique provides a stable and durable construction. The design looks very promising, and the finished product will be tested to verify that the modules are ready for the market.

Hovedmålet med denne oppgaven er å gjøre NMBUs landbruksrobot veldig modulær, og bestemme nye komponenter for drivverk og styring. Den nye roboten vil være tilgjengelig i fire forskjellige versjoner. Den kraftigste versjonen vil ha 4WD og 4WS. To versjoner vil ha 2WD. Forskjellen mellom dem er at den ene bare vil ha fremdriftsmotorer og bruke skidstyring, mens den andre vil ha Ackermanstyring på hjulene med fremdrift. Den siste versjonen er en trehjulsrobot, med styring og fremdrift på ett hjul. Denne vil være meget smal, og er praktisk for enkle oppgaver. Tre moduler er designet: med framdrift og styring, bare fremdrift, og en passiv modul med handlevognhjul. Handlevognhjulene har ikke blitt levert, slik at designen av denne modulen ikke er helt ferdig når denne oppgaven er sendt til trykking. Oppsettet på den første robot benyttes som fundament, og modulen med både fremdrift og styring er ansett som hovedmodulen. De andre modulene er basert på utformingen av denne. Motorkravene er beregnet etter verste tenkelige forhold som kan forventes. Den nye fremdriftsmotor er en BLDC med en effekt på 500 W. Selv om det er svakere enn den tidligere brukte motoren, bekrefter beregningene at den er sterk nok til at roboten klarer jobbe i de verste bruksforholdene. Planetgirkassen er veldig tøff, og kan senkes ned i én meter med vann på grunn av sin IP67-sertifisering. Hele modulen er designet for å være vanntett, og lim benyttes mellom delene for å hindre vann fra å piple inn i modulene. Motoren som brukes til styringen er av samme type som fremdriftsmotoren, bare svakere. Motoren er snudd opp-ned, og en belteoverføring er satt inn for å gjøre tårnet mer kompakt. Styringsgirkassen er det blitt redusert til ett trinns planetgir på grunn av reduksjonsforholdet i remdriften. Tårnkonstruksjonen er svært kompakt. Lav vekt er høyt prioritert, og aluminium er brukt som hovedmateriale. Komponenter som må være ekstra slitesterke er laget i stål. Modulene vil hovedsakelig bli satt sammen med nagler. Denne teknikken gir en stabil og varig konstruksjon. Designen ser veldig lovende ut, og det ferdige produktet vil bli testet for å bekrefte at modulene er klare for markedet.