Dank technologischer Durchbrüche und branchenweiter Zusammenarbeit gilt 2025 weithin als das „Jahr der Robotik“. Die gesamte Robotikbranche erlebt ein explosionsartiges Wachstum, wobei vielfältige Anwendungsszenarien unterschiedliche technologische Wege und Anforderungen an Software und Hardware treiben. Folglich variieren auch die Anforderungen und Implementierungsmethoden für die Echtzeit-Bewegungssteuerung. APQ nutzt sein tiefes Verständnis des Robotiksektors, um zielgerichtete Lösungen zur Optimierung der Echtzeitsteuerung zu entwickeln.
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Unterschiedliche Wege der Robotertechnologie und Auswahl der Verarbeitungsplattform
Zweibeinige humanoide Roboter zeichnen sich durch ein menschenähnliches Design aus, das sich durch seine Anpassungsfähigkeit an komplexes Gelände und die Koordination des gesamten Körpers auszeichnet. Diese Roboter benötigen typischerweise 38 bis 70 Bewegungsachsen, was extrem hohe Echtzeitanforderungen und Steuerzyklen von bis zu 1000 Hz bedingt. APQ nutzt leistungsstarke x86-Prozessoren mit Softwareoptimierung, um diese Echtzeitanforderungen zu erfüllen.
Im Gegensatz dazu zeichnen sich Rad- oder Basisroboter durch ein leichteres Chassis aus, was Vorteile hinsichtlich Kostenkontrolle, Bewegungseffizienz und Akkulaufzeit bietet. Sie verfügen typischerweise über etwa 30 Freiheitsgrade und einen geringeren Bedarf an Echtzeitberechnungen, reagieren aber empfindlicher auf den Stromverbrauch. Für diese Kategorie nutzt APQ energieeffiziente und kostengünstige Plattformen wie Intel® N97 oder J6412, um Komplettlösungen zu entwickeln. Dies optimiert Energieeffizienz und Kosten und nutzt gleichzeitig das umfangreiche Entwicklungs-Ökosystem der x86-Plattform, um die hohen Anforderungen an Echtzeitfähigkeit, Stabilität, Integration und Kompaktheit des Steuerungssystems zu erfüllen.
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APQs EtherCAT-Echtzeitsteuerungsoptimierungs-Fallstudie
Anwendungshintergrund
Rad- und fußbetriebene Roboter werden typischerweise für komplexe Bahnsteuerung, mehrachsige Koppelsysteme, bildgesteuerte Bewegungsabläufe und ähnliche Anwendungen eingesetzt. Ihre Steuerungssysteme müssen Folgendes unterstützen:
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EtherCAT-Hochgeschwindigkeitsbuskommunikationfür synchronisierte Servosteuerung
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Hartes Echtzeit-Betriebssystemfür eine Reaktionszeit im Submillisekundenbereich
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Kompaktes Industriedesigngeeignet für beengte Verkabelungs- oder Schrankverhältnisse
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Erweiterbare Anschlüsseeinschließlich mehrerer serieller und LAN-Anschlüsse für die Integration verschiedener Peripheriegeräte
Ein Kunde, der einen Mehrachsenroboter entwickelte, benötigte EtherCAT-Unterstützung und hohe Echtzeitfähigkeit. Tests mit der N97-Plattform und Servotreibern zeigten jedoch, dass der EtherCAT-Kommunikationszyklus nicht unter 50 µs sinken konnte, was einen kritischen Engpass für die Serienproduktion darstellte.
Echtzeit-Optimierungsansatz
APQ führte mithilfe der Plattformen N97 und J6412 eine vollständige Echtzeit-Systemoptimierung durch. Beispielprozess für die Plattform N97:
1. Betriebssystemwechsel zur Linux Xenomai-Umgebung:
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Ubuntu 20.04 + Linux Kernel 5.15
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Echtzeit-Patch: Xenomai 3.2 (kompatibel mit LinuxCNC)
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Kompatibilität getestet für die bestehenden Anforderungen des Kunden (Kernel 4.19 + Xenomai 3.1)
Echtzeit-Tuning-Schritte:
a) BIOS-Tuning
b) Echtzeit-Kernelparameteroptimierung (ECI)
c) Cmdline-Parameteroptimierung (ECI)
d) Umfassende Anpassung auf Betriebssystemebene
e) Latenz-/Jitter-Messungen
2. Standardisierter Echtzeit-Testablauf:
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Werkzeuge:Latenz-, Clocktest- und LinuxCNC-Testmodule
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Ziele:
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Latenz: Maximale Verzögerung < 40 μs
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Clocktest: Drift ≈ 0 (3. Spalte im Ergebnis nahe Null)
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Ausführung:Mehrere Testrunden mit verschiedenen Hardware-Chargen (einschließlich J6412 zum Vergleich)
Testergebnis:
Unter Linux Xenomai verbesserten sich die Regelzykluszeit und der Jitter deutlich. Die Latenz blieb durchgehend unter 40 µs, während der Clocktest-Drift gegen Null tendierte – und damit die Anwendungsanforderungen erfüllte.
Ergebnisse der Anwendung in der Praxis
Mehrachsige Roboterarmsteuerung
Herausforderung:
Für das 8-achsige Synchronschweißen war eine Synchronisation im Mikrosekundenbereich erforderlich; herkömmliche Lösungen führten zu Drift- und Bahnfehlern.
Optimierung:
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J6412 mit Ubuntu 20.04 + Xenomai 3.2
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4x Gigabit-LAN direkt zu EtherCAT-Servo
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Isolcpus dedizierte Echtzeit-Verarbeitungskerne
Ergebnisse:
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Synchronisierungsgenauigkeit:Clocktest-Drift ≤ 0,05 μs; Maximale Trajektorienabweichung < 0,1 mm
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Echtzeit-Sicherheit:72 Stunden Dauerbetrieb, maximale Latenz ≤ 38 μs
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Kostenreduzierung:35 % geringere Kosten, 60 % weniger Stromverbrauch als die i5-Lösung
Bewegungssteuerung für vierbeinige Roboterhunde
Herausforderung:
Für die dynamische Auswuchtung von 12 Gelenken war eine Rückmeldung im Mikrosekundenbereich erforderlich; die Latenz des Altsystems von über 100 μs verursachte Instabilität.
Optimierung:
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N97 + Xenomai 3.2
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PREEMPT_RT + ECI-Patch
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Die Befehlszeile isolierte 2 CPU-Kerne für Servoaufgaben.
Ergebnisse:
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Niedrige Latenz:Regelzyklus innerhalb von 500 μs, Latenz ≤ 35 μs
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Robustheit:Im Erholungstest bei -20 °C betrug der Jitter < ±8 μs.
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Erweiterbarkeit:IMU-Sensor über M.2; 60 % Energieeinsparung gegenüber einer i3-basierten Lösung
Bereitstellungsoptionen
Für technisch versierte Kunden, die Wert auf Echtzeitleistung legen, empfiehlt APQLinux + XenomaiBereitstellung. Für Endbenutzer, die eine sofort einsatzbereite Lösung bevorzugen, bietet APQ auch Folgendes:vorinstallierte und optimierte Systemabbildermit Debugging-Dokumentation – wodurch die Bereitstellungshürden gesenkt werden.
Da Roboter zunehmend manuelle Aufgaben ersetzen,Echtzeitfähige, stabile und kostengünstige SteuerungssystemeSie werden für den Erfolg entscheidend sein. APQ erfüllt diese Anforderung durch integrierte Hardware-Software-Lösungen und wird seinen Fokus auf Robotic Edge Computing und Motion Control weiter verstärken – und so mehr Industriekunden stabile, effiziente und einfach integrierbare Embedded-Plattformen bereitstellen.
Wenn Sie Interesse an unserem Unternehmen und unseren Produkten haben, können Sie sich gerne an unseren Auslandsvertreter Robin wenden.
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Veröffentlichungsdatum: 28. Juli 2025