ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและความร่วมมือในวงกว้างของอุตสาหกรรม ปี 2025 จึงถูกมองว่าเป็น “ปีแห่งหุ่นยนต์” อุตสาหกรรมหุ่นยนต์โดยรวมกำลังเติบโตอย่างรวดเร็ว โดยสถานการณ์การใช้งานที่หลากหลายผลักดันเส้นทางเทคโนโลยีที่แตกต่างกันและความต้องการทั้งซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์ ส่งผลให้ข้อกำหนดและวิธีการใช้งานสำหรับการควบคุมการเคลื่อนไหวแบบเรียลไทม์มีความหลากหลาย ด้วยความเข้าใจอย่างลึกซึ้งในภาคส่วนหุ่นยนต์ APQ จึงได้พัฒนาโซลูชันการเพิ่มประสิทธิภาพการควบคุมแบบเรียลไทม์ที่ตรงเป้าหมาย
01
เส้นทางเทคโนโลยีหุ่นยนต์ที่แตกต่างกันและการเลือกแพลตฟอร์มการประมวลผล
หุ่นยนต์ฮิวมานอยด์สองขา มีดีไซน์คล้ายมนุษย์ โดดเด่นในด้านความสามารถในการปรับตัวให้เข้ากับภูมิประเทศที่ซับซ้อน และการทำงานที่ประสานกันของร่างกายโดยรวม หุ่นยนต์เหล่านี้โดยทั่วไปต้องการการควบคุมการเคลื่อนไหว 38 ถึง 70 แกน ซึ่งหมายความว่ามีความต้องการเวลาจริงสูงมาก และรอบการควบคุมสูงถึง 1000 เฮิรตซ์ APQ ใช้โปรเซสเซอร์ X86 ประสิทธิภาพสูง พร้อมการปรับแต่งซอฟต์แวร์เพื่อให้ตรงตามความต้องการเวลาจริงเหล่านี้
ในทางตรงกันข้าม หุ่นยนต์แบบมีล้อหรือแบบฐานจะใช้โครงสร้างตัวถังที่เบากว่า ซึ่งให้ข้อได้เปรียบมากกว่าในด้านการควบคุมต้นทุน ประสิทธิภาพการเคลื่อนที่ และอายุการใช้งานแบตเตอรี่ โดยทั่วไปแล้วหุ่นยนต์เหล่านี้จะมีองศาอิสระประมาณ 30 องศา และมีความต้องการการประมวลผลแบบเรียลไทม์ต่ำกว่า แต่มีความไวต่อการใช้พลังงานมากกว่า สำหรับหุ่นยนต์ประเภทนี้ APQ ใช้แพลตฟอร์มพลังงานต่ำและต้นทุนต่ำ เช่น Intel® N97 หรือ J6412 ในการสร้างโซลูชันที่สมบูรณ์ ซึ่งจะช่วยสร้างสมดุลระหว่างประสิทธิภาพการใช้พลังงานและต้นทุน ในขณะเดียวกันก็ใช้ประโยชน์จากระบบนิเวศการพัฒนาที่แข็งแกร่งของแพลตฟอร์ม X86 เพื่อตอบสนองความต้องการที่เข้มงวดสำหรับประสิทธิภาพแบบเรียลไทม์ ความเสถียร การบูรณาการ และความกะทัดรัดของระบบควบคุม
02
กรณีศึกษาการเพิ่มประสิทธิภาพการควบคุมแบบเรียลไทม์ของ EtherCAT โดย APQ
ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับการสมัคร
หุ่นยนต์แบบมีล้อ/ฐาน มักใช้ในการควบคุมวิถีการเคลื่อนที่ที่ซับซ้อน การเชื่อมต่อหลายแกน การเคลื่อนที่ที่นำทางด้วยภาพ และแอปพลิเคชันที่คล้ายคลึงกัน ระบบควบคุมของหุ่นยนต์เหล่านี้ต้องรองรับ:
-
การสื่อสารผ่านบัสความเร็วสูง EtherCATสำหรับการควบคุมเซอร์โวแบบซิงโครไนซ์
-
ระบบปฏิบัติการเรียลไทม์แบบฮาร์ดแวร์สำหรับการตอบสนองระดับต่ำกว่ามิลลิวินาที
-
การออกแบบเชิงอุตสาหกรรมขนาดกะทัดรัดเหมาะสำหรับพื้นที่จำกัดในการเดินสายไฟหรือตู้เก็บอุปกรณ์
-
พอร์ตที่สามารถขยายได้รวมถึงพอร์ตอนุกรมและพอร์ต LAN หลายพอร์ตสำหรับการเชื่อมต่ออุปกรณ์ต่อพ่วงที่หลากหลาย
ลูกค้ารายหนึ่งซึ่งกำลังพัฒนาหุ่นยนต์หลายแกน ต้องการการรองรับ EtherCAT และประสิทธิภาพการทำงานแบบเรียลไทม์สูง อย่างไรก็ตาม การทดสอบด้วยแพลตฟอร์ม N97 และไดรเวอร์เซอร์โวแสดงให้เห็นว่ารอบการสื่อสารของ EtherCAT ไม่สามารถต่ำกว่า 50 ไมโครวินาทีได้ ซึ่งสร้างปัญหาคอขวดที่สำคัญสำหรับการผลิตจำนวนมาก
แนวทางการเพิ่มประสิทธิภาพแบบเรียลไทม์
APQ ใช้แพลตฟอร์ม N97 และ J6412 ในการปรับแต่งระบบแบบเรียลไทม์อย่างเต็มรูปแบบ ตัวอย่างกระบวนการสำหรับแพลตฟอร์ม N97:
1. ระบบปฏิบัติการเปลี่ยนเป็นสภาพแวดล้อม Linux Xenomai:
-
อูบุนตู 20.04 + เคอร์เนล Linux 5.15
-
แพทช์แบบเรียลไทม์: Xenomai 3.2 (ใช้งานร่วมกับ LinuxCNC ได้)
-
ผ่านการทดสอบความเข้ากันได้กับความต้องการระบบเดิมของลูกค้า (Kernel 4.19 + Xenomai 3.1)
ขั้นตอนการปรับแต่งแบบเรียลไทม์:
ก) การปรับแต่ง BIOS
b) การปรับพารามิเตอร์เคอร์เนลแบบเรียลไทม์ (ECI)
ค) การปรับแต่งพารามิเตอร์บรรทัดคำสั่ง (ECI)
d) การปรับแต่งระดับระบบปฏิบัติการอย่างละเอียด
e) การวัดค่าความหน่วง/ความผันผวนของเวลา
2. ขั้นตอนการทำงานมาตรฐานสำหรับการทดสอบแบบเรียลไทม์:
-
เครื่องมือ:โมดูลทดสอบ Latency, Clocktest และ LinuxCNC
-
เป้าหมาย:
-
ความหน่วง: ความล่าช้าสูงสุด < 40 ไมโครวินาที
-
การทดสอบนาฬิกา: การเบี่ยงเบน ≈ 0 (คอลัมน์ที่ 3 ใกล้ศูนย์ในผลลัพธ์)
-
-
การดำเนินการ:ผ่านการทดสอบหลายรอบกับฮาร์ดแวร์หลายรุ่น (รวมถึง J6412 เพื่อใช้เป็นตัวเปรียบเทียบ)
ผลการทดสอบ:
ภายใต้สภาพแวดล้อม Linux Xenomai เวลาของรอบการควบคุมและค่าความคลาดเคลื่อนดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัด ค่าความหน่วงยังคงต่ำกว่า 40 ไมโครวินาทีตลอดเวลา ในขณะที่ค่าความคลาดเคลื่อนของการทดสอบนาฬิกาเข้าใกล้ศูนย์ ซึ่งตรงตามความต้องการของแอปพลิเคชัน
ผลลัพธ์จากการประยุกต์ใช้ในโลกแห่งความเป็นจริง
การควบคุมแขนหุ่นยนต์หลายแกน
ท้าทาย:
การเชื่อมแบบซิงโครไนซ์ 8 แกนต้องการการซิงโครไนซ์ระดับไมโครวินาที ซึ่งวิธีการแก้ปัญหาแบบดั้งเดิมทำให้เกิดการคลาดเคลื่อนและข้อผิดพลาดของวิถีการเชื่อม
การเพิ่มประสิทธิภาพ:
-
J6412 พร้อม Ubuntu 20.04 + Xenomai 3.2
-
4x Gigabit LAN เชื่อมต่อโดยตรงกับ EtherCAT เซอร์โว
-
Isolcpus คือคอร์ประมวลผลแบบเรียลไทม์โดยเฉพาะ
ผลลัพธ์:
-
ความแม่นยำในการซิงค์:ความคลาดเคลื่อนของการทดสอบนาฬิกา ≤ 0.05 ไมโครวินาที; ความเบี่ยงเบนสูงสุดของวิถีการเคลื่อนที่ < 0.1 มิลลิเมตร
-
การรับประกันแบบเรียลไทม์:ใช้งานต่อเนื่อง 72 ชั่วโมง ความหน่วงสูงสุด ≤ 38 ไมโครวินาที
-
การลดต้นทุน:ต้นทุนต่ำกว่า 35% และใช้พลังงานน้อยกว่า 60% เมื่อเทียบกับโซลูชัน i5
หุ่นยนต์สุนัขสี่ขาควบคุมการเคลื่อนไหว
ท้าทาย:
ระบบปรับสมดุลแบบไดนามิก 12 ข้อต่อต้องการการป้อนกลับระดับไมโครวินาที ความหน่วงของระบบเดิมที่มากกว่า 100 ไมโครวินาทีทำให้เกิดความไม่เสถียร
การเพิ่มประสิทธิภาพ:
-
N97 + Xenomai 3.2
-
แพทช์ PREEMPT_RT + ECI
-
บรรทัดคำสั่งแยกคอร์ CPU 2 คอร์สำหรับงานเซอร์โว
ผลลัพธ์:
-
ความหน่วงต่ำ:รอบการควบคุมภายใน 500 ไมโครวินาที ความหน่วง ≤ 35 ไมโครวินาที
-
ความทนทาน:ในการทดสอบการฟื้นตัวที่อุณหภูมิ -20°C ค่าความคลาดเคลื่อน < ±8μs
-
ความสามารถในการขยาย:เซ็นเซอร์ IMU ผ่าน M.2; ประหยัดพลังงานได้ 60% เมื่อเทียบกับโซลูชันที่ใช้ i3
ตัวเลือกการใช้งาน
สำหรับลูกค้าที่มีความเชี่ยวชาญด้านเทคนิคและมุ่งเน้นประสิทธิภาพแบบเรียลไทม์ APQ ขอแนะนำลินุกซ์ + ซีโนไมสำหรับการใช้งาน สำหรับผู้ใช้ปลายทางที่ต้องการความสะดวกสบายแบบพร้อมใช้งาน APQ ยังมีตัวเลือกอื่นๆ อีกด้วยอิมเมจระบบที่ติดตั้งไว้ล่วงหน้าและปรับแต่งแล้วพร้อมเอกสารประกอบการแก้ไขข้อผิดพลาด ซึ่งช่วยลดอุปสรรคในการใช้งาน
เนื่องจากหุ่นยนต์เข้ามาแทนที่งานที่ต้องใช้แรงงานคนมากขึ้นเรื่อยๆระบบควบคุมแบบเรียลไทม์ เสถียร และคุ้มค่าสิ่งนี้กลายเป็นสิ่งสำคัญต่อความสำเร็จ APQ กำลังตอบสนองความต้องการนี้ผ่านโซลูชันฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์แบบบูรณาการ และจะยังคงมุ่งเน้นไปที่การประมวลผลแบบ Edge Computing และการควบคุมการเคลื่อนไหวของหุ่นยนต์ต่อไป เพื่อเพิ่มศักยภาพให้กับลูกค้าในภาคอุตสาหกรรมด้วยแพลตฟอร์มแบบฝังตัวที่มีเสถียรภาพ มีประสิทธิภาพ และบูรณาการได้ง่าย
หากคุณสนใจบริษัทและผลิตภัณฑ์ของเรา โปรดติดต่อตัวแทนต่างประเทศของเรา คุณโรบิน ได้เลย
Email: yang.chen@apuqi.com
WhatsApp: +86 18351628738
วันที่เผยแพร่: 28 กรกฎาคม 2568