Ανάπτυξη Συστήματος Ελέγχου για Βιομηχανικό Ρομπότ σε Εφαρμογή Pick-and-Place

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία αξιοποιεί το MATLAB και το Simulink για τη μοντελοποίηση, την προσομοίωση και τον έλεγχο ενός βιομηχανικού ρομποτικού χειριστή 6 βαθμών ελευθερίας (6-DOF) για αυτοματοποιημένες εφαρμογές pick-and-place. Για τη μοντελοποίηση της δυναμικής συμπεριφοράς του ρομπότ χρησιμοποιήθηκε η διατύπωση Euler–Lagrange, ενώ για την εξαγωγή της ευθείας και της αντίστροφης κινηματικής εφαρμόστηκε η σύμβαση Denavit–Hartenberg. Για την αξιολόγηση της καταλληλότητας του χώρου εργασίας και των χαρακτηριστικών κίνησης των αρθρώσεων, δημιουργήθηκαν διαφορετικοί τύποι τροχιών, όπως point-to-point, κυκλικές και κυκλοειδείς τροχιές. Οι ίδιες συνθήκες εφαρμόστηκαν για τον σχεδιασμό και τη σύγκριση των κλασικών ελεγκτών PID και των προσαρμοστικών ελεγκτών PID. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι και οι δύο ελεγκτές πέτυχαν ακριβή και σταθερή παρακολούθηση της τροχιάς. Ωστόσο, ο ελεγκτής PID παρουσίασε μικρότερη υπερύψωση (overshoot) και χαμηλότερο σφάλμα μόνιμης κατάστασης. Περαιτέρω επαλήθευση του φυσικού ρεαλισμού του μοντέλου πραγματοποιήθηκε μέσω ανάλυσης ροπών και ανάλυσης στον χώρο των αρθρώσεων. Παρουσιάζεται επίσης η ολοκληρωμένη ανάπτυξη ενός τρισδιάστατου περιβάλλοντος προσομοίωσης, μαζί με την ομαλή και χωρίς συγκρούσεις εκτέλεση εργασιών pick-and-place. Η παρούσα εργασία προσφέρει ένα επικυρωμένο πλαίσιο για ρομποτικό χειρισμό και θέτει τη βάση για περαιτέρω μελέτες σε τομείς όπως ο προηγμένος έλεγχος, η μηχανική όραση και η υλοποίηση σε πραγματικό χρόνο.This thesis utilizes MATLAB and Simulink for the modelling, simulation, and control of a six-degree-of-freedom (6-DOF) industrial robotic manipulator intended for automated pick-and-place applications. The Euler–Lagrange formulation was employed to model the robot’s dynamic behaviour, while the Denavit–Hartenberg convention was applied to derive the forward and inverse kinematics. To evaluate the suitability of the workspace and the motion characteristics of the joints, different types of trajectories were generated, including point-to-point, circular, and cycloidal trajectories. The same operating conditions were applied to the design and comparison of conventional PID controllers and adaptive PID controllers.The results demonstrated that both controllers achieved accurate and stable trajectory tracking. However, the conventional PID controller exhibited lower overshoot and a smaller steady-state error. Further validation of the model’s physical realism was carried out through torque analysis and joint-space analysis. The complete development of a three-dimensional simulation environment is also presented, together with the smooth and collision-free execution of pick-and-place tasks.This work provides a validated framework for robotic manipulation and establishes a foundation for further research in areas such as advanced control, machine vision, and real-time implementation.