Conception et commande d’un système robotisé à base de robots mobiles et bras manipulateurs pour le picking en entrepôt logistique

Design and control of a robotic system based on mobile robots and manipulator arms for picking in logistics warehouses

• Auteur / Autrice : Muhammad Aqib Khan
• Direction : Jean-François Brethé, François Guérin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique/productique/robotique
• Date : Soutenance le 10/12/2020
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université du Havre (1984-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de Recherche en Electrotechnique et Automatique du Havre (Le Havre, Seine-Maritime ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Blazevic
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophie Sakka
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernard Bayle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Entrepôts -- Gestion

Robots mobiles

Mots clés libres

Manipulation mobile

Palettisation autonome

Collecte autonome

Logistic warehouses

Mobile manipulation

Autonomous palletization

Autonomous picking

Logistic warehouses

Résumé

La logistique consiste à stocker, déplacer et expédier des marchandises à des détaillants ou clients finaux tant en garantissant une gestion efficace des flux d’information sous-jacents. Les travaux menés durant cette thèse visent à automatiser le processus de préparation de commande sur palette en introduisant des robots manipulateurs mobiles dans les entrepôts logistiques, avec un double objectif : diminuer la pénibilité du travail et augmenter la productivité face à la croissance des volumes traités.Après un état de l’art exhaustif sur les robots manipulateurs mobiles, l’auteur met en œuvre un ensemble de procédés et processus afin de prélever des colis sur des palettes disposées sous des racks et cela en toute autonomie. Des blocs fonctionnels sont ainsi constitués pour réaliser l’ensemble des tâches pour la base mobile (cartographie, localisation, planification, navigation) ainsi que pour le bras manipulateur. Une disposition originale et inédite des capteurs sur le manipulateur mobile ainsi que la mise en place d’ARtag sur les éléments d’infrastructures permettent de récupérer des « smart data » plutôt que du « big data », permettant de conjuguer la complexité du problème avec les contraintes temps réel de l’application.Un algorithme de suivi d’un « mur virtuel » est proposé utilisant une transformée de Hough rendue plus robuste grâce à plusieurs niveaux de filtrage. La synchronisation et la commande de ces deux systèmes est assurée par des réseaux de Pétri. Enfin le prototype développé durant cette thèse CIFRE a été non seulement testé au laboratoire mais aussi dans les conditions réelles d’un entrepôt logistique.

Logistics involves the storage and displacement of goods. These goods are stored in warehouses and shipped to retailers in pallets. Pallets are produced on a customer’s order. Order picking for a pallet is a fatigue induced process resulting in poor performance of the workers, decreasing the productivity and inducing delays in supply chain. Flexibility is introduced to increase productivity by commissioning robots for process automation. These robots consist of autonomous ground vehicles for transporting freight and static manipulators for pick and place. A static robot has limited workspace and the capability of a manipulator is significantly enhanced by adding a mobile base. Mobile manipulation is now being exploited for pick & place and pallet production. This thesis presents a first attempt to achieve autonomous palletization using mobile manipulation. To acquire palletization by mobile manipulation requires the identification of functional blocks, to conceive a framework to achieve this task. A thorough state of the art has been prepared in this thesis corresponding to each element of the global framework. To realize the proof of concept, a prototype has been developed by leveraging existing technologies, by integrating a mobile base with manipulator and a grasping system with a gripping element. For each functional block of the global framework, control execution strategies have been developed and tested in industrial environment. Specifically, localization is acquired by the use of synthetic landmarks, a motion planning and control strategy is employed for global navigation and a rack tracking motion control has been developed for moving inside the racks. To combine and execute all the elements without deadlocks a coordination framework is used as a global supervisor. The path planner for global navigation is based on the shortest distance between two points, and rack tracking is developed by applying the conventional Hough transform to the lidar data and using the output in a nonlinear controller, while the motion planner for manipulation is based on linear trajectories. The framework for supervisory control is based on discrete event systems topology and state machines corresponding to each element have been modelized using Petri nets. Finally, the framework has been tested for a complete picking task on the mobile manipulator to validate the selection of strategies and performance of each functional element. The successful demonstration has been concluded as a first step towards the evolution of autonomous palletization.