I denna uppsats presenteras resultatet av ett examensarbete i maskinkonstruktion på KTH. Arbetet har utförts på uppdrag av Poki Robotics via konsultbolaget Omecon.Poki Robotics vill automatisera uppsamlingen av golfbollar på så kallade driving ranges, genom att nyttja en hjuldriven autonom robot med ett tillhörande uppsamlingssläp. Enligt Poki Robotics samlas 5000 golfbollar upp under en intensiv dag, vilket innebär att en total massa av ca 230 kg måste uppsamlas och förflyttas. Detta ställer höga krav på dragkraften som drivlinan måste förse roboten med.Rapporten beskriver konceptframtagningen av drivlinan till den hjuldrivna autonoma roboten. Konceptet genererades genom att först utvärdera framdrivning inom robotik i en förstudie. Olika styrsystem utvärderades utifrån ställda krav på mjukvarubaserad styrning, mekanisk komplexitet, effektivitet och mobilitet. Styrsystemen utvärderades i en Pugh-matris som mynnade ut i två styrningar som visades mest lovande. Styrningarna utvärderades med en terrängmekanisk beräkningsmodell för att utvärdera framdrivande egenskaper, och därmed bedöma vilken som var mest lämpad för syftet utifrån ställda krav.För den lämpade styrningen genererades och utvärderades koncept för drivlinan med avseende på underhåll, montage, tillverkning, robusthet och förmåga att uppta laster. Det slutgiltiga konceptet bestod av en borstlös likströmsmotor, försedd med ett planetväxelhuvud och en parallell hjulaxel med en kuggremsutväxling.Konceptframtagningen resulterade i en CAD-modell som visade att drivlinan uppfyllde dimensionella krav.Den terrängmekaniska beräkningsmodellen nyttjades enbart som ett verktyg för att ge en indikation på prestanda och som indata för konstruktionen. Beräkningsmodellen har begränsningar i form av att den inte är lämpad för små hjuldiametrar, att den inte tar hänsyn till rotförstärkt mark samt att den utesluter de pneumatiska däckens elastiska egenskaper. / This thesis presents the result of a master thesis in machine design at KTH. The task was performed for Poki Robotics via the consulting firm Omecon.Poki Robotics wants to generate an autonomous solution for the collecting of golf balls on driving ranges, by utilizing a wheeled autonomous mobile robot coupled with a towed collecting unit. According to Poki Robotics, 5000 golf balls are collected on a busy day, yielding a total mass of approximately 230 kg that must be collected and towed. This sets high demands on the towing force that needs to be provided by the powertrain.The report describes the concept generation of the powertrain for a wheeled autonomous robot. A prestudy was done to evaluate wheeled locomotion in mobile robotics. Different steering systems were evaluated by different metrics including mechanical complexity, efficiency, mobility and demand for software-based control. The steering systems were evaluated using Pugh matrices, yielding two steering systems that showed to be promising. A terramechanical analytical model was used to further evaluate tractive performance of the two steering systems, to conclude which steering system was most suitable for the purpose with respect to the set requirements.Concepts were generated and evaluated for the powertrain of the chosen steering system, with respect to maintenance, assembly, manufacturing, robustness and load carrying capacity. The final concept yielded an EC-motor with a planetary gearhead, with a parallel wheel shaft and a timing belt gearing.The concept generation resulted in a CAD-model showing that the powertrain met the targeted dimensional constraints.The terramechanical analytical modelling was used solely as a tool for indication of performance and as input data for design. The model has limitations due to it not being suitable for small wheel diameters, not taking root reinforcement of the soil into account and excluding the pneumatic tire’s elastic properties.

Autonomous lawn mowers have been available to consumers for more than 20 years. During this period, advancements in embedded device computations and sensor performance have led to improvements in the reliability of these robots. Despite recent improvements, the opportunity for further innovation of such systems remains significant. Currently, many autonomous robots rely on electric wires installed underground to delimit the boundaries of the lawn. Such a configuration is simple, but more effective autonomous solutions are available. This thesis focuses on the analysis and related implementation of both localisation and mapping features for autonomous lawn mowers. Heterogeneous sensors and their different configurations are investigated and an Adaptive Extended Kalman Filter is proposed to fuse their measurements. This technique improves the pose estimation of the autonomous lawn mower, which is then exploited by the mapping module. Based on Bayesian’s inference, the mapping module updates the knowledge of the map based on direct interactions with the environment. The final results highlight the importance of precise localisation as the bottleneck for the development of new features. The improved pose estimation enables the employment of a virtual boundary, but it is not accurate enough to precisely map the presence of objects in the environment. Advanced features which could be developed from the proposed configuration are related to deterministic coverage algorithms and the interaction with lawn objects. / Autonoma gräsklippare har varit tillgängliga för konsumenter i mer än 20 år. Under denna period har framsteg inom beräkningar av inbyggda enheter och sensorprestanda lett till förbättringar av tillförlitligheten hos dessa robotar. Trots de senaste förbättringarna är möjligheten till innovation av sådana system fortfarande betydande. Autonoma robotar har fortfarande begränsade funktioner. De förlitar sig på elektriska ledningar installerade under jord för att avgränsa gräsmattans gränser, som de reagerar på utan resonemang. En sådan konfiguration anses nu vara föråldrad och mer effektiva autonoma lösningar finns tillgängliga. Den här avhandlingen fokuserar på att använda för närvarande tillgängliga tekniker för att designa de kärnmoduler som behövs för att förbättra kapaciteten hos dessa system. Analysen och relaterad implementering av både lokaliserings och kartläggningsfunktioner för autonoma gräsklippare presenteras. Heterogena sensorer och deras olika konfigurationer undersöks och ett Adaptive Extended Kalman Filter föreslås för att smälta samman deras mätningar. Denna teknik förbättrar poseuppskattningen av den autonoma gräsklipparen, som sedan utnyttjas av kartläggningsmodulen. Det valda tillvägagångssättet för den senare, baserat på Bayesians slutledning, lyckas uppdatera kunskapen om kartan baserat på direkta interaktioner med omgivningen. De slutliga resultaten belyser vikten av exakt lokalisering som den verkliga flaskhalsen för utvecklingen av nya funktioner. Den förbättrade positionsuppskattningen gör det möjligt att definiera en virtuell gräns. Definitionen inte tillräckligt korrekt för att korrekt kartlägga förekomsten av objekt i miljön Exempel på avancerade funktioner från den föreslagna konfigurationen är implementeringen av deterministiska täckningsalgoritmer och interaktionen med gräsmattaobjekt. / I tosaerba autonomi sono disponibili per i consumatori da oltre 20 anni. Durante questo periodo, i progressi nei calcoli dei dispositivi integrati e nelle prestazioni dei sensori hanno portato a miglioramenti nell’affidabilità di questi robot. Nonostante i recenti miglioramenti, l’opportunità di innovazione di tali sistemi rimane significativa. I robot autonomi hanno ancora funzionalità limitate. Si affidano a fili elettrici installati sottoterra per delimitare i confini del prato, a cui reagiscono senza ragionamento. Tale configurazione è ormai considerata obsoleta e sono disponibili soluzioni autonome più efficaci. Questa tesi si concentra sull’utilizzo delle tecniche attualmente disponibili per progettare i moduli principali necessari per far avanzare le capacità di questi sistemi. Vengono presentate l’analisi e la relativa implementazione delle funzionalità di localizzazione e mappatura per i tosaerba autonomi. Vengono studiati sensori eterogenei e le loro diverse configurazioni e viene proposto un filtro di Kalman adattivo esteso per fondere le loro misurazioni. Questa tecnica migliora la stima della posa del rasaerba autonomo, che viene poi sfruttata dal modulo di mappatura. L’approccio scelto per quest’ultimo, basato sull’inferenza bayesiana, riesce ad aggiornare la conoscenza della mappa basata su interazioni dirette con l’ambiente. I risultati finali evidenziano l’importanza di una localizzazione precisa come vero collo di bottiglia per lo sviluppo di nuove funzionalità. La stima della posa migliorata consente la definizione di un confine virtuale. La definizione non è sufficientemente precisa per mappare correttamente la presenza di oggetti nell’ambiente Esempi di funzionalità avanzate a partire dalla configurazione proposta sono l’implementazione di algoritmi di copertura deterministici e l’interazione con gli oggetti del prato.

Sometimes when terrain is inaccessible to humans we use robots to help us explore it. In this project a self navigating robot was created that used ultrasonic sensors to detect obstacles in its path and avoided them. When an obstacle is encountered the robot documents said obstacle by taking photographs of it as well as registered its coordinates and created a map, as a bonus feature. Thereafter the robot continued its path based on where obstacles were absent. By using stepper motors to drive the robots traveled distance was calculated. With this information a map over the traveled path was created. Tests were conducted where the map was compared to real life as well as letting the robot roam freely. The tests showed the robots ability to evade obstacles and how well the integrated camera function performed. The placement of the sensors worked well enough considering only five were used. Although the robot would improve significantly if an increased amount of sensors were to be added. The algorithm enabled the robot to navigate and avoid all detected obstacles. It is the sensors that inhibited its navigation since they only detected obstacles directly in front of them. Since this was a mobile robot it was powered by batteries. The robot would be able to explore to a greater extent if it could recharge its batteries on its own, for example with solar panels. A GPS could be installed to keep track of the robot at all times. / Ibland är okänd terräng av olika skäl otillgänglig för människor och då kan en robot istället skickas ut för att undersöka dessa omgivningar. I detta projekt har en självnavigerande robot skapats där ultraljudssensorer användes för att registrera hinder som sedan dokumenterades. Dokumentationen gjordes genom att fotografera hinder och som en extra funktion registrerades deras koordinater och med dessa skapades en karta. Därefter valdes en ny riktning baserat på vilken väg som var fri från hinder. Stegmotorer användes för att driva roboten och genom att räkna på de antal steg dessa tog beräknades det avstånd roboten hade förflyttat sig. Med hjälp utav dessa avstånd skapades en karta över den tillryggalagda vägen. Tester utfördes där kartan jämfördes med verkligheten samt låta roboten upptäcka på fri hand. Detta visade hur väl den undvek hinder och hur väl den integrerade kamerafunktionen fungerade. Sensorernas placering fungerade bra med tanke på att endast fem användes. Däremot kan fler adderas för en mer exakt avläsning. Algoritmen fungerade väl då roboten parerade alla upptäckta hinder. Det var endast sensorerna som hämmade robotens navigering då de bara upptäckte hinder direkt framför dem. Då roboten var mobil behövdes batterier för att ge den ström. En framtida förbättring innefattar därför exempelvis att addera en solpanel som kan ladda batterierna för att göra den ytterligare självständig. Dessutom kan en GPS installeras för att kunna bevaka var roboten befinner sig i alla situationer.

Automation is a key enabler of modern manufacturing. It can result in increased flexibility, safety, and reduced costs. Internal logistics processes have thus far been automated to a lower level compared to other processes in a manufacturing system. Autonomous Mobile Robots (AMRs) are an emerging technology with potential to automate internal logistics processes, but there exists limited literature on their integration and implementation. In a literature study, no papers were identified that directly studied the mechanical challenges that arise in the implementation of AMRs, and none suggested solutions to overcome those challenges. The industry has shown interest in exploring the benefits of employing mixed AMR fleets where different types of AMRs, with different mechanical specifications, can work together and share tasks.  This thesis aims to contribute to the flexible integration of AMRs into manufacturing lines, especially in the context of mixed AMR fleets. A self-adjusting logistic cart is the outcome of a systematic systems engineering concept development and design process. The advantage of flexible logistic infrastructure, regardless of the type of fleet employed (i.e., mixed or homogenous), is that it can provide the industry with freedom and time to learn which AMRs and fleets best fit their needs. The novel concept provides the industry with flexibility to optimise their line feeding processes without the added problem-solving and time required to adapt and/or update logistic infrastructure such as carts. In addition to the concept development, a generalised guide for the design of carts used with AMRs is contributed to facilitate future design for AMRs studies. The concept and prototype design are evaluated and discussed. Further iterations of the design process are needed for the concept to reach maturity. Future studies into the benefits and shortcomings of the concept are encouraged. / Automation är en viktig faktor för modern tillverkning. Den kan resultera i ökad flexibilitet, säkerhet och minskade kostnader. Interna logistikprocesser har hitintills automatiserats till en lägre nivå jämfört med andra processer i tillverkningssystemen. Autonoma Mobila Robotar (AMR) är en framväxande teknik med potential att automatisera interna logistikprocesser, men det finns begränsad litteratur som beskriver deras integration och implementering. I en litteraturstudie identifierades inga artiklar som direkt studerade de mekaniska utmaningar som uppstår vid en implementering av AMR, och inga förslag till lösningar för att övervinna dessa utmaningar. Branschen har visat intresse för att utforska fördelarna med att använda blandade AMR-flottor där olika typer av AMR med olika mekaniska specifikationer arbetar tillsammans och delar uppgifter.  Denna avhandling syftar till att bidra med kunskap om flexibel integration av AMR i tillverkningslinjer, särskilt i system med blandade flottor. En självjusterande logistikvagn är resultatet av systematisk konceptutveckling och konstruktionsprocess. Fördelen med en flexibel logistikinfrastruktur, oavsett vilken typ av flotta som används (dvs. blandad eller homogen), är att den kan ge industriell frihet och tid att lära sig vilka typer av AMR och flottor som bäst passar varje företags behov. Konceptet ger branschen flexibilitet att optimera sina linjematningsprocesser utan den extra problemlösning och den tid som krävs för att anpassa och/eller uppdatera logistikinfrastruktur med vagnar. Förutom konceptutvecklingen bidrar en generell guide för konstruktion av vagnar, som används med AMR, till att underlätta framtida AMR-studier. Konceptet och prototypkonstruktionen utvärderas och diskuteras. Ytterligare iterationer av utvecklings- och konstruktionsprocessen behövs för att konceptet ska bli moget. Framtida studier av fördelarna och bristerna hos det föreslagna konceptet uppmuntras.

Under senare år har vi med hjälp av robotar som använder rörelseplanering kunnat automatisera olika processer och uppgifter. Idag finns det väldigt få strategier för lokal rörelseplanering vid jämförelse med global rörelseplanering. Syftet med det här projektet har varit att analysera tre strategier för lokal rörelseplanering, dessa har varit Dynamic Window Approach (DWA), Elastic Band (Eband) och Timed Elastic Band (TEB).I projektet har styrkor, svagheter, beteenden och förbättringsmöjligheter för respektive strategi studerats närmare genom att utföra olika simulerade tester. I testerna mätes tid för att nå mål, antal kollisioner och antalet gånger som målet nåddes. Under projektet användes en virtuell allriktad robot från ABB för att testa strategierna. Testerna genomfördes på ett så rättvist sätt som möjligt, där alla strategier fick samma antal försök och hade samma information om robotens begränsningar.Resultatet visar att TEB är den snabbaste strategin, följt av DWA och sista Eband som var den långsammaste strategin. TEB var också den strategi som presterade bäst vid dynamiska hinder, däremot var den också den strategi som kolliderade mest i testerna, medan Eband kolliderade minst. / In recent years, we have been able to automate various processes and tasks with the help of robots that use motion planning. Today, there are very few strategies for local motion planning when compared to global motion planning. The purpose of this project has been to analyze three strategies for local motion planning, these have been Dynamic Window Approach (DWA), Elastic Band (Eband) and Timed Elastic Band (TEB).In the project, strengths, weaknesses, behaviours and opportunities for improvement for each strategy have been studied in more detail by performing various simulated tests. The tests measure time to reach the goal, the number of collisions and the number of succeeding attempts. During the project, a virtual omni-directional robot from ABB was used to perform the tests. The tests were performed in as fair a way as possible, where all strategies got the same number of attempts and had the same information about the robot's limitations.The results show that TEB is the fastest strategy, followed by DWA and last Eband that was the slowest strategy. TEB was also the strategy that performed best in dynamic obstacles, however, it was also the strategy that collided most of the tests, while Eband collided the least.