The Implementation and Analysis of a Tendon-Based-Stewart-Gough-Platform (SGP) for an Automated Storage and Retrieval System for Mini-Load

Eine Umsetzung und Analyse einer Seilgetriebenen Stewart-Plattform als Teil eines Automatisierten Regalbediengerätes für Automatische Kleinteilelager Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung aller Aspekte und Rahmenbedingungen bei der Ent-wicklung des SGP-Regalbediengeräts, sodass dieses am Ende problemlos in die innerbe-trieblichen Materialflusssysteme integriert werden kann. Von dem SGP-Regalbediengerät werden hohe Anforderungen wie hohe Durchsatzleistung und hohe Dynamik, Reduzierung der zu bewegenden Massen, hohe Energieeffizienz, Umweltschutz, hohe Wirtschaftlichkeit, Preisreduzierung im Unterschied zum anderen Konkurrenten etc. erwartet. Eine weitere Her-ausforderung ist, dass das SGP-Regalbediengerät auf einer neuartigen Technik beruht, die noch nie im Logistikbereich eingesetzt wurde, sondern bis jetzt nur im Robotikbereich ange-wendet wurde. Im Rahmen dieser Arbeit werden ausschließlich automatische Kleinteilelager (AKL) betrach-tet. Das AKL ist ein häufig in der Lager- und Kommissioniertechnik eingesetztes System. Das Regalbediengerät ist ein zentrales Element des AKLs. Die aktuellen Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Regalbediengeräte konzentrieren sich im Wesentlichen auf die Verbesserung der bestehenden Komponenten. Untersucht wird der Einsatz neuer Werkstoffe für Teilbereiche der Regalbediengeräte und die Nutzung von ener-gieeffizienten Betriebsverfahren. Die dabei zu erreichenden Leistungen sind an die Grenzen der Technik gestoßen. Das SGP-Regalbediengerät beruht dagegen auf einer neuartigen Technik, die bis jetzt nicht im Logistikbereich eingesetzt wurde. Dabei wird das klassische Regalbediengerät durch eine Plattform, die an acht vorgespannten Seilen befestigt ist, ersetzt. Die Plattform wird mithilfe von acht Motoren, die unter Einsatz modernster Regelungsverfahren computergesteuert werden, bewegt. Dieser einfache Aufbau führt dazu, dass besonders niedrige Massen bewegt werden müssen. Außerdem werden Kunstfaserseile, die ein Vielfaches leichter als die konventionellen Stahlseile sind, verwendet. Dies führt dazu, dass die bereitgestellte Antriebs-leistung weitgehend für die Bewegung der Nutzlast genutzt wird. Mithilfe des Stewart-Gough-Plattform Regalbediengeräts werden höhere Geschwindigkeiten, Beschleunigungen und infolgedessen höhere Umschlagsleistungen erreicht. Außerdem spielt die Energieeffizienz und die zu bewegenden Masse eine große Rolle bei ihrer Entwicklung. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Marktanalyse durchgeführt. Sowohl die Bedürfnisse eines Marktes als auch die Kompetenzen des Unternehmens sind jedoch dynamisch. Durch diese Marktanalyse werden die Kundenbedürfnisse, Kundennutzen und Ein-kaufsvolumina ermittelt. Im Rahmen der Marktanalyse werden sowohl sechs konventio-nelle, als auch andere Arten von Regalbediengeräten vorgestellt und mit dem SGP-RBG verglichen. Die Anzahl der gelieferten Regalbediengeräte wird in Deutschland und international analysiert. Schließlich werden die Umschlagsleistungen des SGP-RBGs berechnet und mit sechs anderen Konkurrenten verglichen. Dabei werden sowohl Einzelspiel- als auch Doppelspielzeiten für verschiedene Lagerabmessungen berechnet. Danach wird die Entwicklung des Systemsaufbaus im Laufe der Zeit näher erläutert. Hierbei werden auch die Systemkomponenten näher beschrieben.The warehouse plays an important connecting role in the logistics network inside the company and between the various processes within the company. Its major role is to maintain a constant supply of the products, maintenance of products for a specific time period and control the supply requirement, the consumer requirement and the demand of the situation. Hence, a methodology to improve the efficiency of a new design of the Automated Storage/Retrieval System to increase the throughput performance of the system is strictly required. Until now, all efforts to design Automated Storage and Retrieval Systems AS/RS have been carried out with Storage/Retrieval (S/R) machines. These have disadvantages of high investment value and restricted use due to the inflexibility of the physical layout. However, little attention has been paid so far to making use of the principles of the Stewart-Gough-Platform SGP on AS/RS. To construct new designs, we set up a system under the name SGP-AS/RS. This system has attractive features such as high performance and scalability. An SGP is a kind of cable-driven platform with parallel manipulators using an octahedral assembly of struts which has six degrees of freedom (x,y and z). Additionally, another analysis, which can help to obtain a methodology for estimating the single command and dual command cycle time of the SGP-AS/RS, is based on some assumptions. The resultant methodology depends on some parameter values, like dimensions of storage racks, location of the (I/O) points, maximum velocity consideration and acceleration/deceleration rate changes. These could also be used in future for selecting the right kind of (S/R) machine for this system. This tool was integrated with the main design tool, hence one could automatically evaluate the mid and maximum, single and dual command cycle time for the newly designed SGP-AS/RS. An integrated storage system containing 5000 rack Bays has been presented, as well as the performance calculations of SGP-AS/RS with comparable storage and retrieval systems. At the same time, specified constraints were carried out. These calculations are based on the projected performance of the SGP-AS/RS. In contrast, the performance of comparable storage and retrieval systems are specified by the manufacturer. Finally, the results of the designed SGP-AS/RS system are presented at the end of the dissertation, highlighting the important design parameters and the expected throughput from the system

Safe distance prediction for braking control of bridge cranes considering anti-swing

Cranes are widely deployed for lifting and moving heavy objects in dynamic environments with human coexistence. Suddenly appeared workers, vehicles, and robots can affect the safety of the cranes. To avoid possible collisions, the cranes must have prediction ability to know how dangerous the situation is. In this paper, we address the safety issues of bridge cranes based on its online physical states and control model. Due to the swing of the payload, the safe braking distance cannot be a constant value. Therefore, we here propose a model prediction control (MPC)-based anti-swing method for non-zero initial states, where a new reference trajectory and a new cost function for optimization are proposed, such that the proposed MPC method can control the crane to follow the proposed reference trajectory and achieve a stable stop state with anti-swing. Furthermore, an offline learning mechanism is introduced to learn a statistical model between the velocity of the crane and the safe braking distance achieved by using the proposed MPC braking control method. In this way, we can predict how far the crane would require to safely stop without swing based on its current velocity, which is the safe distance prediction to evaluate the dangerous level of the dynamic obstacle. Experiments using both a simulated crane and a real crane demonstrate that the proposed safe braking distance prediction method is effective for safe braking control of the bridge cranes

Designing a cellular-based fully automated case picking system

Order picking (OP) is the most expensive and labor-intensive activity in warehouses. Some authors argue that OP might be responsible for up to 55% of the operating costs in a warehouse. This might be more important for companies that handle large volumes of fast-moving commodities. Full-case picking processes and mixed pallet building are expensive and complex activities. Companies are looking for technologies to improve their efficiency and to reduce the operating costs of non-value added activities in their warehouses and distribution centers (DCs). Nowadays, the designers of order picking systems face great challenges due to increasing labor costs, less space and more frequent small orders with short delivery times. Consequently, there are constant research efforts devoted to finding new innovative full-case picking solutions that reduce operating costs, generate higher productivity, optimize space utilization and enhance customer service levels. This dissertation presents a new fully automated case picking system (ACPS) called the Automated Cellular Case Picking System (ACCPS). The new system is characterized by the full and permanent accessibility of all stock keeping units (SKUs) in the system, which permits a strategic higher picking rate. This new system could be applied to different levels of automation within warehouses and DCs, and it is suitable for a wide range of warehouse automation requirements. The proposed design consists of storage cells with the same design and operating principle as the vertical indexing case elevator, installed on one conveyor to form a storage line. Several storage lines are connected by a distributing conveyor from the inlet side and by a collecting conveyor from the outlet side, to form an ACCPS use-case model. The concept of this new system is based on the A-Farm concept, in order to create a new innovative dispensing and buffering system for cases. ACCPS is a new concept for a full-case picking system that aims to provide better solutions for warehouses and DCs that deal with a high volume and low variety of products, which are handled in plastic crates or trays. ACCPS would be an efficient solution for many types of commodities such as (food, beverage, grocery, dairy, flowers, sausage, bakery and others). Optimizing picking processes, minimizing operating cost, and increasing efficiency are the most important aims of the new proposed design. This research investigates the layout, design, structure, costs, operating principles, cycle time, and throughput of the new system. A simple logic process was applied to create a mathematical model in order to calculate the expected average time of the order picking and the throughput of this new ACPS. A simulation model has been developed to aid in measuring the effectiveness of the ACCPS proposed design under real operating conditions. Two case studies have been used to evaluate the performance of the new system. Based on the real-time data of these two cases, many simulation scenarios were studied and analyzed in order to solve the storage assignment problem and to determine the best order picking strategy. Many optimization scenarios were simulated and analyzed in order to determine the optimum scenario. In order to evaluate the ACCPS performance, a comparison was made between ACCPS and an alternative system with the same features. The alternative system, which is the most competitive system compared to the ACCPS, is the Gantry Robot System (GRS). The costs, throughput, and required areas were chosen as the main criteria for comparison between the two systems. The comparison confirmed the benefits of the ACCPS in decreasing the operating costs, required area, energy consumption, and the picking time. ACCPS also increased the space utilization rate and the throughput. ACCPS provides a new technique for automating the full-case picking process (CPP) that contributes greatly to decreasing total operating cost by minimizing labor requirements, space requirements, and potential errors, and increasing productivity and efficiency. The structure of ACCPS, which is based on individual modules, can further increase the flexibility and the adaptability of the system.Entwurf eines zellbasierten vollautomatischen Full-Case-Kommissioniersystems Der Kommissionierungsprozess (OP) wird als die höchst arbeitsintensive und kostenaufwändige Tätigkeit in den Lagern betrachtet. Einige Autoren behaupten, dass der Kommissionierungsprozess für bis zu 55 % aller Betriebskosten in einem Lager dafür verantwortlich sein könnte. Dies könnte möglicherweise wichtiger sein für Unternehmen, die große Volumina von schnell bewegenden Waren behandeln. Full-case-picking Prozesse und Mischpaletten von verschiedenen Produkten aufzubauen sind teure und komplexe Tätigkeiten. Firmen suchen nach Technologien, um ihre Leistungsfähigkeit zu verbessern und die Betriebskosten von zusätzlichen Tätigkeiten die keine Wertschöpfung erbringen in ihren Lagern und Distributionszentren (DCs) zu reduzieren. Heutzutage stehen die Designer der Kommissioniersysteme vor großen Herausforderungen, aufgrund der steigenden Arbeitskosten, weniger Platz und häufigere kleine Aufträge mit kurzen Lieferzeiten. Deshalb sind ständige Forschungsbemühungen gewidmet, um die Suche nach neuen innovativen Kommissionierlösungen für Stückgüter, die die Betriebskosten verringern, die Produktivität erhöhen, die Raumausnutzung optimieren und die Kundenservice verbessern. Diese Dissertation präsentiert ein neues vollautomatisiertes Kommissioniersystem für Stückgüter (ACPS), das als automatisiertes zelluläres Case-picking-system (ACCPS) bezeichnet wird. Das neue System zeichnet sich durch die vollständige und dauerhafte Zugänglichkeit aller Lagerhaltung Einheiten (SKUs) im System, das einen strategischen höheren Durchsatz des Kommissionierungsprozesses ermöglicht. Dieses neue System könnte auf verschiedene Niveaus der Automation innerhalb von Lagern und DCs angewandt werden, und ist für eine breite Reihe von Lagerautomationsvoraussetzungen passend. Das vorgeschlagene Design besteht aus Speicherzellen mit demselben Design und Betriebsprinzip wie der vertikale Senkrechtförderer für Stückgüter, der auf einem Förderband installiert ist, um eine Lagerungslinie zu bilden. Mehrere Lagerungslinien werden sich durch einen Verteilförderer von der Einlassseite und durch einen Sammelförderer von der Ausgangsseite verbunden, um ein ACCPS Use-Case-Modell zu bilden. Das Konzept dieses neuen Systems basiert auf dem Konzept des Schachtkommissionsystems (A-Farm), um ein neues innovatives System zum Zuführen und Puffern von Stückgütern zu schaffen. ACCPS ist ein neues Konzept für eine vollständiges Stückgütern Schachtkommissionsystem mit dem Ziel, bessere Lösungen für Lagern und DCs, die sich mit einer großen Menge und niedrigen Vielfalt von Produkten befassen, die in Kunststoffkisten oder Tablare behandelt werden zur Verfügung zu stellen. ACCPS würde eine effiziente Lösung für viele Typen von Waren wie (Nahrung, Getränk, Lebensmittel, Molkerei, Blumen, Wurst, Bäckerei und andere) sein. Optimierung der Kommissionierungsprozesse, Minimierung der Betriebskosten und Steigerung der Effizienz sind die wichtigsten Ziele des neuen vorgeschlagenen Designs. Diese Forschung untersucht Layout, Design, Struktur, Kosten, Betriebsprinzipien, Zykluszeit und Durchsatz des neuen Systems. Ein einfacher Logik-Prozess wurde angewendet, um ein mathematisches Modell zu erstellen, damit die erwartete durchschnittliche Zeit der Kommissionierung und der Durchsatz von dieser neuen ACPS zu berechnet werden. Ein Simulationsmodell wurde entwickelt, um bei der Messung der Effektivität des vorgeschlagenen Designs der ACCPS unter realen Betriebsbedingungen zu unterstützen. Zwei Fallstudien sind verwendet worden, um die Leistung des neuen Systems zu bewerten. Gestützt auf den Echtzeitdaten dieser zwei Fälle, viele Simulation Szenarien wurden untersucht und analysiert um das Problem der Lagerplatzzuweisung zu beheben und die beste Strategie für die Kommissionierung zu bestimmen. Viele Optimierung Szenarien wurden simuliert und analysiert um das optimale Szenario zu bestimmen. Im Hinblick auf die Bewertung der Leistung des ACCPSs, wurde ein Vergleich zwischen ACCPS und ein alternatives System mit denselben Eigenschaften durchgeführt. Das Gantry Robot System (GRS), ist das alternative System für das am meist konkurrenzfähige System im Vergleich zum ACCPS. Die Kosten, der Durchsatz und die erforderliche Fläche wurden als die Hauptkriterien zum Vergleich zwischen den beiden Systemen gewählt. Der Vergleich hat die Vorteile des ACCPSs im Verringern der Betriebskosten, der erforderlichen Fläche, des Energieverbrauchs und der Entnahmezeit (Pickzeit) bestätigt. ACCPS stellt eine neue Technik zur Verfügung, um die Full-case-picking Prozessen (CPP) zu automatisieren, die außerordentlich zum Verringern von Gesamtbetriebskosten durch die Minderung von Arbeitskräftebedarf, Platzbedarf und potenziellen Fehlern, und die Erhöhung der Produktivität und Leistungsfähigkeit beiträgt. Die Struktur von ACCPS, die auf individuellen Modulen basiert, kann weiter die Flexibilität und die Anpassungsfähigkeit des Systems vergrößern

Desenvolvimento de um veículo inovador para armazéns automáticos

Intralogistics is increasingly a matter of research and development as a form of optimization, automation, integration and management of the flow of materials and information that circulate within a business unit. With a strong connection to material handling equipment and automation solutions, intralogistics has proved to be one of the main factors responsible for something that is already happening: a fourth industrial revolution where it is possible to convert warehouses and manufacturing units into intelligent environments where the entire process can be controlled and supervised through a single system. It became necessary to develop more and more innovative and efficient solutions to the constant diversity of challenges proposed by the market. In this sense, it was proposed to develop something innovative within the area of Automated Storage and Retrieval Systems (AS/RS), a technology increasingly sought after by today's manufacturing plants. As such, the goal was to improve the most emergent AS/RS in recent years: the Pallet/Box Shuttle AS/RS. In order to achieve the proposed objective, it was necessary to analyze all the existing solutions in the market and, principally, to find the main points to be improved and the direction to follow in order to innovate an already advanced solution. The results show a robotized solution where it was possible to increase the automation of the operations in the storage systems and improve the responsiveness of the system, taking this solution to a new level.A intralogística é cada vez mais uma área de investigação e desenvolvimento como uma forma de otimização, automação, integração e gestão do fluxo de materiais e informações que circulam dentro de uma unidade de negócios. Com uma forte ligação com equipamentos de manipulação de materiais e soluções de automação, a intralogística provou ser um dos principais fatores responsáveis por algo que já está a acontecer: uma quarta revolução industrial, onde é possível converter armazéns e unidades fabris em ambientes inteligentes, onde todo o processo pode ser controlado e supervisionado através de um único sistema. Tornou-se necessário desenvolver soluções cada vez mais inovadoras e eficientes para a constante diversidade de desafios propostos pelo mercado. Nesse sentido, propôs-se desenvolver algo inovador dentro da área dos Armazéns Automáticos, uma solução cada vez mais procurada pelas unidades fabris de hoje. Como tal, estabeleceu-se o objetivo de melhorar o tipo de Armazém Automático mais emergente dos últimos anos: o Armazém Automático com Veículos Satélite para Caixas ou Paletes. Para alcançar o objetivo proposto, foi necessário analisar todas as soluções existentes no mercado e, principalmente, encontrar os principais pontos a serem aprimorados e definir a direção a seguir para se inovar uma solução já avançada. Os resultados obtidos apresentam uma solução robotizada onde foi possível aumentar a automatização das operações dos sistemas de armazenamento e melhorar a capacidade de resposta do sistema, levando esta solução para um novo patamar