技術革新と業界全体の連携により、2025年は「ロボットの年」として広く認識されています。ロボット業界全体が爆発的な成長を遂げており、多様なアプリケーションシナリオが、ソフトウェアとハードウェアの両方に対する多様な技術開発と需要を促進しています。その結果、リアルタイムモーションコントロールの要件と実装方法は多岐にわたります。APQは、ロボット分野への深い理解を活かし、ターゲットを絞ったリアルタイム制御最適化ソリューションを開発しました。
01
ロボット技術の分岐ルートと処理プラットフォームの選択
二足歩行ヒューマノイドロボットは、複雑な地形への適応性と全身協調動作に優れた、人間のようなデザインが特徴です。これらのロボットは通常、38～70軸のモーションコントロールを必要とするため、極めて高いリアルタイム性能と最大1000Hzの制御サイクルが求められます。APQは、こうしたリアルタイム要求を満たすために、高性能X86プロセッサとソフトウェアチューニングを採用しています。
対照的に、車輪型またはベース型のロボットは、より軽量なシャーシ設計を採用しており、コスト管理、動作効率、バッテリー寿命において大きな利点があります。これらのロボットは通常、約30の自由度を持ち、リアルタイムコンピューティングの要求は低いものの、消費電力には敏感です。このカテゴリにおいて、APQはIntel® N97やJ6412などの低消費電力・低コストのプラットフォームを活用し、完全なソリューションを構築しています。これにより、電力効率とコストのバランスを取りながら、X86プラットフォームの豊富な開発エコシステムを活用し、制御システムのリアルタイム性能、安定性、統合性、コンパクト性に関する厳しい要件を満たしています。
02
APQ社のEtherCATリアルタイム制御最適化事例研究
応募の背景
車輪型／ベース型ロボットは、複雑な軌道制御、多軸リンク機構、ビジョン誘導モーション、および同様の用途で一般的に使用されます。これらのロボットの制御システムは、以下の機能をサポートする必要があります。
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EtherCAT高速バス通信同期サーボ制御用
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ハードリアルタイムOSサブミリ秒の応答速度を実現
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コンパクトな工業デザイン配線スペースやキャビネットスペースが狭い場合に適しています
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拡張可能なポート多様な周辺機器の統合のために、複数のシリアルポートとLANポートを含む。
多軸ロボットを開発しているある顧客は、EtherCATのサポートと高いリアルタイム性能を必要としていました。しかし、N97プラットフォームとサーボドライバを用いたテストの結果、EtherCATの通信サイクルが50μsを下回ることができず、量産における重大なボトルネックとなることが判明しました。
リアルタイム最適化アプローチ
APQはN97およびJ6412プラットフォームを使用して、システムレベルのリアルタイムチューニングをフルに実行しました。N97プラットフォームでのプロセス例を以下に示します。
1. OS を Linux Xenomai 環境に切り替えます。
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Ubuntu 20.04 + Linux カーネル 5.15
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リアルタイムパッチ：Xenomai 3.2（LinuxCNC対応）
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クライアントの既存環境（カーネル4.19 + Xenomai 3.1）との互換性テスト済み
リアルタイム調整手順：
a) BIOSチューニング
b) リアルタイムカーネルパラメータ最適化（ECI）
c) コマンドラインパラメータの調整 (ECI)
d) OSレベルの高度なカスタマイズ
e) レイテンシー/ジッター測定
2. 標準的なリアルタイムテストのワークフロー：
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ツール:レイテンシー、クロックテスト、LinuxCNCテストモジュール
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目標:
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レイテンシー：最大遅延 < 40μs
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クロックテスト：ドリフト ≈ 0（結果の3列目がゼロに近い）
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実行：ハードウェアのバッチ全体にわたる複数回のテスト（比較対象としてJ6412を含む）
テスト結果：
Linux Xenomai環境下では、制御サイクル時間とジッターが大幅に改善されました。レイテンシは終始40μs未満に維持され、クロックテストのドリフトはほぼゼロに近づき、アプリケーションの要求を満たしました。
実世界における応用成果
多軸ロボットアーム制御
チャレンジ：
8軸同期溶接にはマイクロ秒レベルの同期が必要であり、従来の方法ではドリフトや軌道誤差が発生していた。
最適化：
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J6412、Ubuntu 20.04 + Xenomai 3.2
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4x ギガビット LAN ダイレクト EtherCAT サーボ
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Isolcpus専用リアルタイム処理コア
結果：
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同期精度：クロックテストドリフト ≤ 0.05μs、最大軌道偏差 < 0.1mm
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リアルタイム保証：72時間連続動作、ピーク遅延≦38μs
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コスト削減：i5搭載ソリューションと比較して、コストは35%削減、消費電力は60%削減されています。
四足歩行ロボット犬のモーションコントロール
チャレンジ：
12関節の動的バランス調整にはμsレベルのフィードバックが必要だった。従来システムのレイテンシが100μsを超えると不安定性が発生した。
最適化：
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N97 + Xenomai 3.2
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PREEMPT_RT + ECIパッチ
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コマンドラインでサーボタスク用に2つのCPUコアを分離
結果：
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低遅延：制御サイクルは500μs以内、レイテンシは35μs以下。
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堅牢性：-20℃回復試験において、ジッターは±8μs未満であった。
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拡張性：M.2経由のIMUセンサー。i3ベースのソリューションと比較して60%の電力削減を実現。
展開オプション
リアルタイム性能を重視する技術的に優れたクライアント向けに、APQは以下を推奨します。Linux + Xenomai展開。すぐに使える利便性を好むエンドユーザー向けに、APQ は、プリインストール済みで最適化されたシステムイメージデバッグに関するドキュメントを提供することで、導入の障壁を低減します。
ロボットが手作業をますます代替するにつれて、リアルタイムで安定した、費用対効果の高い制御システム成功に不可欠な要素となるでしょう。APQは、統合されたハードウェア・ソフトウェアソリューションを通じてこのニーズに応え、ロボットエッジコンピューティングとモーションコントロールへの注力をさらに深め、より多くの産業顧客に安定性、効率性、そして容易な統合性を備えた組み込みプラットフォームを提供していきます。
弊社および弊社製品にご興味をお持ちでしたら、海外担当者のロビンまでお気軽にご連絡ください。
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投稿日時：2025年7月28日
