Промышленный манипулятор, управляемый контроллером на базе ROS2 с EtherCAT-мастером для связи с сервоприводами
Структура аппаратной платформы
Система управления манипулятором реализована на базе Xilinx Kria KR260 Robotics Starter Kit (Kria K26 SOM), построенной на SoC Zynq UltraScale+ MPSoC со следующими компонентами:
- Кластер Cortex-A53 — выполнение высокоуровневых ROS2-узлов
- Кластер Cortex-R5 — цикл реального времени, EtherCAT Master, задачный планировщик
- Программируемая логика (PL, FPGA) — аппаратный ускоритель (обратная кинематика)
- Периферия: Gigabit Ethernet (EtherCAT мастер)
Разделение задач позволяет реализовать жесткие временные ограничения при расчете траекторий и управлении сервоприводами (сервоусилителями).
Интеграция кинематической модели и ROS2
Кинематическая структура 6 DOF манипулятора описывается в формате URDF:
- Звенья (link) и сочленения (joint) — кинематическая структура
- Геометрию звеньев для визуализации и коллизий
- Массу, центры масс и инерции звеньев
- Расположение сочленений и оси вращения (origin, axis)
- Ограничения по углам, скорости и моменту (limit)
- Фланец инструмента (TCP)
Далее используется цепочка ROS-инструментов:
- Gazebo — динамическая симуляция робота
- MoveIt 2 — планирование и генерация траекторий
- RViz — визуализация состояния и траекторий
Генерируемые профили движения передаются на Kria K26 SoM и используются для управления реальными приводами.
Архитектура ПО
Программная архитектура включает следующие уровни:
Уровень Linux (пользовательский ROS2, Linux, Cortex A53)
- ROS2 nodes
- DDS middleware
- Interface node EtherCAT <-> ROS2
- IPC через OpenAMP
Уровень RTOS (реальное время, Cortex R5)
- FreeRTOS
- EtherCAT Master stack, SOEM
- Профили CiA-402 (position/velocity/torque)
- Синхронизация приводов по оси
Уровень FPGA (PL)
- аппаратный ускоритель (обратная кинематика)
Клиент и бизнес проблема
Клиент — производитель промышленных роботизированных систем: манипуляторы 6 DoF, сборочные ячейки, системы паллетизации и манипуляторы для машиностроительной отрасли.
Ключевыми требованиями к системе управления являются:
- Жесткий реального времени цикл управления
- Низкие задержки при обмене с сервоприводами
- Высокая точность кинематики и калибровки
- Возможность интеграции с ROS2
Основные выявленные проблемы существующих решений:
- Высокая задержка планирования траекторий
- Отсутствие жесткой синхронизации сервоприводов в многоосных кинематиках
- Реализация EtherCAT-мастера в userspace Linux вносит недетерминированность в работу системы
- Значительный разрыв между симуляцией ROS2 и работой с реальными роботизированными системами усложняет интеграцию
Решение
Реализована платформа управления промышленным манипулятором 6 DoF на базе:
- Xilinx Kria KR260 Robotics Starter Kit (Kria K26 SOM)
- SoC Zynq UltraScale+ MPSoC с разделением вычислений:
- Cortex-A53 — ROS2, планирование траектории
- Cortex-R5 — контур реального времени и EtherCAT-мастер
- FPGA (PL) — аппаратный ускоритель обратной кинематики
Система обеспечивает:
- Расчёт обратной кинематики в FPGA в реальном времени
- Детерминированный EtherCAT-обмен с сервоприводами CiA-402
- Прямую интеграцию с ROS2-стеком (MoveIt 2, Gazebo, RViz, URDF)
Ценность для клиента
Для производителя роботизированных систем:
- Ускорение проектирования за счёт тождественности симуляции и реального устройства
- Архитектура с реальным временем без внешних контроллеров
- Высокая точность за счёт FPGA-ускорителя кинематики
Для конечного заказчика (завод/интегратор):
- Высокая скорость отклика системы управления
- Детерминированный EtherCAT-контур сервоприводов
- Совместимость с ROS2 экосистемой
- Возможность обновления и диагностики
Итог: проект формирует систему управления промышленным манипулятором 6 DoF со следующими ключевыми преимуществами:
- Аппаратное ускорение обратной кинематики в FPGA
- Жёсткое реальное время на Cortex-R5 + EtherCAT Master
- ROS2 на Cortex-A53 с MoveIt 2, RViz и симуляцией в Gazebo
- Масштабируемость под разные конфигурации манипуляторов
Связаться с нами