Grazie alle innovazioni tecnologiche e alla collaborazione a livello di settore, il 2025 è ampiamente considerato l'"Anno della Robotica". L'intero settore della robotica sta vivendo una crescita esponenziale, con scenari applicativi diversificati che determinano percorsi tecnologici e richieste differenziate sia per il software che per l'hardware. Di conseguenza, i requisiti e i metodi di implementazione per il controllo del movimento in tempo reale variano. Sfruttando una profonda conoscenza del settore della robotica, APQ ha sviluppato soluzioni mirate per l'ottimizzazione del controllo in tempo reale.
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Percorsi divergenti della tecnologia robotica e selezione della piattaforma di elaborazione
I robot umanoidi bipedi presentano un design simile a quello umanoide che eccelle nell'adattabilità a terreni complessi e nelle operazioni coordinate con tutto il corpo. Questi robot richiedono in genere da 38 a 70 assi di controllo del movimento, il che significa requisiti di tempo reale estremamente elevati e cicli di controllo fino a 1000 Hz. APQ utilizza processori X86 ad alte prestazioni con software ottimizzato per soddisfare queste esigenze in tempo reale.
Al contrario, i robot con ruote o con base adottano un telaio più leggero, offrendo maggiori vantaggi in termini di controllo dei costi, efficienza del movimento e durata della batteria. Questi robot hanno in genere circa 30 gradi di libertà e una minore richiesta di elaborazione in tempo reale, ma sono più sensibili al consumo energetico. Per questa categoria, APQ utilizza piattaforme a basso consumo e basso costo come Intel® N97 o J6412 per realizzare soluzioni complete. Questo bilancia efficienza energetica e costi, sfruttando al contempo il ricco ecosistema di sviluppo della piattaforma X86 per soddisfare i rigorosi requisiti di prestazioni, stabilità, integrazione e compattezza del sistema di controllo in tempo reale.
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Caso di studio sull'ottimizzazione del controllo in tempo reale EtherCAT di APQ
Contesto dell'applicazione
I robot con ruote/base sono tipicamente utilizzati nel controllo di traiettorie complesse, nei collegamenti multiasse, nel movimento guidato dalla visione e in applicazioni simili. I loro sistemi di controllo devono supportare:
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Comunicazione bus ad alta velocità EtherCATper il controllo servo sincronizzato
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Sistema operativo hard-real-timeper una risposta inferiore al millisecondo
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Design industriale compattoadatto per cablaggi stretti o spazio nell'armadio
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Porte espandibilicomprese più porte seriali e LAN per l'integrazione di periferiche diverse
Un cliente, che stava sviluppando un robot multiasse, necessitava del supporto EtherCAT e di elevate prestazioni in tempo reale. Tuttavia, i test con la piattaforma N97 e i servoazionamenti hanno dimostrato che il ciclo di comunicazione EtherCAT non poteva scendere sotto i 50 μs, creando un collo di bottiglia critico per la produzione di massa.
Approccio di ottimizzazione in tempo reale
Utilizzando le piattaforme N97 e J6412, APQ ha eseguito una messa a punto completa in tempo reale a livello di sistema. Esempio di processo per la piattaforma N97:
1. Passaggio del sistema operativo all'ambiente Linux Xenomai:
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Ubuntu 20.04 + Kernel Linux 5.15
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Patch in tempo reale: Xenomai 3.2 (compatibile con LinuxCNC)
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Compatibilità testata per le esigenze legacy del cliente (Kernel 4.19 + Xenomai 3.1)
Passaggi di ottimizzazione in tempo reale:
a) Ottimizzazione del BIOS
b) Ottimizzazione dei parametri del kernel in tempo reale (ECI)
c) Ottimizzazione dei parametri della riga di comando (ECI)
d) Personalizzazione approfondita a livello di sistema operativo
e) Misurazioni di latenza/jitter
2. Flusso di lavoro standard per i test in tempo reale:
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Utensili:Moduli di test di latenza, clocktest e LinuxCNC
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Obiettivi:
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Latenza: ritardo massimo < 40μs
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Clocktest: Drift ≈ 0 (terza colonna vicina allo zero nel risultato)
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Esecuzione:Diversi cicli di test su lotti hardware (incluso J6412 come confronto)
Risultato del test:
Nell'ambiente Linux Xenomai, il tempo di ciclo di controllo e il jitter sono migliorati significativamente. La latenza è rimasta al di sotto dei 40 μs per tutto il tempo, mentre la deriva del clocktest si è avvicinata allo zero, soddisfacendo così le esigenze applicative.
Risultati delle applicazioni nel mondo reale
Controllo del braccio robotico multiasse
Sfida:
La saldatura sincronizzata a 8 assi richiedeva una sincronizzazione a livello di μs; le soluzioni tradizionali causavano errori di deriva e di traiettoria.
Ottimizzazione:
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J6412 con Ubuntu 20.04 + Xenomai 3.2
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4x Gigabit LAN direttamente al servo EtherCAT
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Core di elaborazione in tempo reale dedicati Isolcpus
Risultati:
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Precisione di sincronizzazione:Deriva del clocktest ≤ 0,05μs; Deviazione massima della traiettoria < 0,1 mm
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Garanzia in tempo reale:Funzionamento continuo di 72 ore, latenza di picco ≤ 38μs
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Riduzione dei costi:Costi inferiori del 35%, consumi inferiori del 60% rispetto alla soluzione i5
Controllo del movimento del cane robot quadrupede
Sfida:
Il bilanciamento dinamico a 12 giunti richiedeva un feedback a livello di μs; la latenza del sistema legacy > 100 μs causava instabilità
Ottimizzazione:
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N97 + Xenomai 3.2
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PREEMPT_RT + patch ECI
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Cmdline ha isolato 2 core della CPU per attività servo
Risultati:
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Bassa latenza:Ciclo di controllo entro 500μs, latenza ≤ 35μs
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Robustezza:Nel test di recupero a -20°C, jitter < ±8μs
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Espandibilità:Sensore IMU tramite M.2; risparmio energetico del 60% rispetto alla soluzione basata su i3
Opzioni di distribuzione
Per i clienti tecnicamente capaci e focalizzati sulle prestazioni in tempo reale, APQ consigliaLinux + Xenomaidistribuzione. Per gli utenti finali che preferiscono la praticità immediata, APQ offre ancheimmagini di sistema preinstallate e ottimizzatecon la documentazione di debug, riducendo le barriere di distribuzione.
Poiché i robot sostituiscono sempre più le attività manuali,sistemi di controllo in tempo reale, stabili e convenientidiventano fondamentali per il successo. APQ sta rispondendo a questa esigenza attraverso soluzioni hardware-software integrate e continuerà ad approfondire la sua attenzione sull'edge computing robotico e sul controllo del movimento, offrendo a un numero sempre maggiore di clienti industriali piattaforme embedded stabili, efficienti e facilmente integrabili.
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Data di pubblicazione: 28-lug-2025