高端装备“大脑”，机器人孕育新空间

运动控制器+执行器（驱动电机）+传感器构成运动控制系统，是数控机床、机器人等高端装备的核心基础部件：运动 控制主要指按照运动轨迹要求，在复杂条件下把规划指令变成期望的机械运动，通过执行器（通常由伺服驱动+电机构成）实现驱动，并通过传感器完成闭环反馈。运动控制系统是高端装备的核心基础部件，决定了装备的精度、效率，同时其也是不同品牌高端装备形成差异化竞争的重要构成。 运动控制器为运动控制系统“大脑”，通用运动控制器主要分为PLC、嵌入式、PC-Based三大类：运动控制器主要任 务是根据运动控制的要求和传感器件的信号进行必要的逻辑、数学运算，为电机或其它动力和执行装置提供正确的控制信号，性能直接决定了运动控制系统的性能水平。 工业机器人通常采用PC作为上位机完成人机交互/轨迹规划，基于PLC或PC-Based控制器通过关节控制、位置控制、 力控制实现运动控制：工业机器人通常采用PC作为上位机完成人机交互和轨迹规划，确定运动控制参数，再通过单/ 多关节控制（由电机驱动，电流、速度、位置检测实现闭环），位置控制（可通过笛卡尔位置控制在关节控制基础上实现），力控制（采用多维力传感器获取笛卡尔坐标系中的力信息实现反馈）实现运动控制，最终经过电机驱动，经过齿轮组、减速器等为关节提供动能，通过关节速度、位置、力控制实现多自由度运动。 人形机器人在工业机器人基础上进一步强调“类人”属性，步态控制、手臂控制、轨迹规划要求均更高，难度预计将显著提升，有望带来市场需求增量：人形机器人采用“类人”结构，步行状态下的运动控制系统属于非线性和强耦合， 易受环境因素干扰，假设髋关节、膝关节、踝关节分别为3/1/3个自由度，仅下肢就为一个14自由度系统，多关节联动控制难度较高。在手臂控制除多关节联动带来的难度外，其“类人”属性对于冲击（代表力矩变化的快慢，影响振动、机械磨损等因素）控制的要求更高，以实现平稳的抓取和抬举物品，并且为了实现与环境交互，需要引入视觉传感器来完成空间定位实现轨迹规划。更多的联动关节数量、更多的传感器都将加大运动控制难度，同时在工业机器人应用中，轨迹规划的应用需要专业工程师通过编程处理，学习成本较高，考虑人形机器人未来有消费级应用场景，轨迹规划必须通过软件进行封装，将功能集成并设计出可视化界面，从而降低使用门槛。 运动控制22年全球市场空间155亿美元，19年国内市场空间425亿元人民币，中高端运动控制市场以海外品牌为主， 国内企业在各自领域已实现一定突破：根据MARKETSANDMARKETS数据，22年全球运动控制市场空间155亿美元， 预计到27年达到200亿美元，CAGR5.2%。根据固高科技招股说明书数据，19年国内运动控制系统市场规模425亿元人民币，其中运动控制器、伺服系统市场规模分别为85/340亿元人民币。目前高性能运动控制及伺服系统市场参与者主要为海外厂商如欧姆龙、倍福、ACS、Aerotech等，国内企业分别在运动控制器、伺服驱动器等领域也实现了一定突破，根据雷赛智能招股说明书数据，通用运动控制器中的PC-Based控制卡市场，固高科技、雷赛智能、成都乐创、众为兴为代表的国内品牌占据了70%以上的市场份额；根据睿工业数据，21年汇川技术、禾川科技伺服市场占有率分别达到了16.3%/2.8%实现突破，但仍有较大国产替代空间 考虑运动控制行业市场空间较大，且随着人形机器人产业发展有良好成长前景，建议重点关注禾川科技、华中数控、埃斯顿、汇川技术、雷赛智能。 国产替代进展不及预期，人形机器人产业化进展不及预期。 内容目录 1.运动控制为数控机床、机器人等高端装备“大脑”6 1.1运动控制系统是数控机床、机器人等高端装备高效运行核心环节6 1.2运动控制器为运动控制开始，通用运动控制器分为PLC控制器、嵌入式控制器、PC-based控制卡7 1.3运动控制器+执行器（驱动电机）+传感器构成了主流运动控制系统8 2.人形机器人运动控制难度预计将显著加大，有望带来市场需求增量10 2.1工业机器人通常采用PC作为上位机完成人机交互/轨迹规划，基于PLC或PC-Based控制器通过关节控制、位置控制、力控制实现运动控制10 2.2人形机器人强调“类人”属性，步态控制、抗冲击、轨迹规划要求均更高，难度显著提升14 2.2.1下肢控制：步行运动控制难度较高14 2.2.2手臂控制：视觉前馈+逆运动学求解实现轨迹规划，“类人”属性对于冲击等指标要求更高16 2.2.3轨迹规划：对于轨迹规划算法的集成化、智能化、可视化要求更高17 3.全球市场空间155亿美元，国内市场空间425亿元人民币17 3.1运动控制22年全球市场空间155亿美元，预计27年达到200亿美元17 3.2国内运动控制市场规模19年达到425亿元，后续有望保持高增长18 4.海外品牌领跑中高端运动控制市场，国内企业已实现突破19 4.1中高端运动控制与伺服驱动以欧美、日系厂商为主19 4.2国内企业在运动控制器、伺服驱动器等领域已实现一定突破20 5.投资建议22 5.1投资建议22 5.2禾川科技：工控新锐，伺服+PLC打开成长空间23 5.3华中数控：高端数控系统龙头，具备机器人控制系统自制能力25 5.4埃斯顿：从机床数控系统起步，崛起为国产机器人龙头27 5.5汇川技术：工业自动化龙头，实现工业机器人电控、伺服系统自制28 5.6雷赛智能：运动控制系统层次全覆盖，有望进入加速成长期31 5.7柏楚电子：激光控制系统龙头，技术驱动实现长期发展33 5.8固高科技：专注运动控制核心技术，实现高端装备控制系统国产替代34 6.风险提示36 图表目录 图表1：运动控制系统通常包括运动控制器、驱动、执行器、运动反馈单元等6 图表2：运动控制系统发展历史6 图表3：运动控制系统为高端装备核心基础部件7 图表4：运动控制器构成7 图表5：运动控制器按照核心器件组成分类8 图表6：通用运动控制器主要分类8 图表7：伺服系统通常由伺服驱动+电机+编码器组成9 图表8：伺服系统包括交流伺服系统、直流伺服系统和步进系统9 图表9：运动控制系统通过反馈装置实现闭环控制9 图表10：运动控制系统通过传感器实现闭环控制10 图表11：工业机器人通常采用PC-Based或PLC控制器架构10 图表12：基本轨迹规划分为笛卡尔空间规划和关节空间规划11 图表13：工业机器人控制以多轴运动控制为主11 图表14：工业机器人的单关节控制原理12 图表15：将其他关节的影响作为前馈项引入控制器构成多关节控制系统12 图表16：工业机器人笛卡尔位置控制示意12 图表17：电容式三维力传感器力敏元件构成13 图表18：多维力传感器广泛装备在机器人机械臂13 图表19：机械臂控制原理14 图表20：人形机器人下肢可简化为14自由度系统15 图表21：基于PID控制器与PSO优化控制可实现人形机器人步态控制优化16 图表22：四自由度双臂人形机器人构成16 图表23：人形机器人手臂通过机器视觉+逆运动学求解实现轨迹规划完成运动控制17 图表24：ABBRobotStudioSuite提升了工业机器人的编程、模拟的易用性17 图表25：22年全球运动控制市场空间155亿美元，预计27年达到200亿美元18 图表26：19年国内运动控制系统市场规模425亿元18 图表27：中国智能制造装备及部分高端制造业国产化率有望持续提升，推升运动控制系统需求19 图表28：海外品牌较为成熟19 图表29：倍福22年全球销售额15.15亿欧元同比增长28%20 图表30：倍福产品丰富度、成熟度较高20 图表31：国内主要市场参与者21 图表32：国内企业在对应领域已经实现突破，取得了一定市场定位21 图表33：21年国内伺服系统竞争格局较为分散22 图表34：重点关注公司22 图表35：禾川科技工业自动化主要产品23 图表36：22年禾川科技营收结构23 图表37：公司下游以先进制造业为主，占比达75%23 图表38：禾川科技近年营收规模快速扩张24 图表39：禾川科技22年利润规模有所下降24 图表40：受市场开拓策略影响，毛利率有所下降24 图表41：禾川科技伺服、PLC毛利率水平较高24 图表42：禾川科技IPO募投项目概况24 图表43：禾川科技伺服驱动器及PLC的产能情况25 图表44：禾川科技伺服电机的产能情况25 图表45：华中数控收入以工业机器人与智能产线、数控系统为主25 图表46：公司自研数控系统实现与海外龙头全面对标26 图表47：公司20、21年营收高增长26 图表48：公司未来利润弹性较高26 图表49：华中数控机器人本体22年实现收入3.34亿元，同比增长24.13%26 图表50：埃斯顿主要产品27 图表51：埃斯顿收入规模持续扩张27 图表52：22年归母净利润高增长，1Q23同比下降27 图表53：埃斯顿收入以工业机器人为主28 图表54：埃斯顿产品毛利率较高28 图表55：埃斯顿运动控制相关产品28 图表56：汇川技术主要产品29 图表57：汇川技术通用自动化领域一体化解决方案29 图表58：汇川技术收入以通用自动化业务为主30 图表59：通用自动化业务毛利率较高30 图表60：汇川技术近年收入快速增长30 图表61：汇川技术近年归母净利润快速增长30 图表62：公司通用伺服产品市占率国内领先30 图表63：雷赛智能实现运动控制系统层次全覆盖31 图表64：雷赛智能收入以步进系统、伺服系统为主31 图表65：雷赛智能产品毛利率整体较高31 图表66：受自动化行业需求放缓影响收入增速下降32 图表67：受自动化行业需求放缓影响利润增速下降32 图表68：雷赛智能毛利率较为稳定，净利率有所下降32 图表69：雷赛智能营业收入考核目标32 图表70：雷赛智能净利润考核目标32 图表71：柏楚电子主要产品33 图表72：切割头、主战卡等新品收入占比提升33 图表73：柏楚电子产品毛利率极高33 图表74：1Q23收入成长加速34 图表75：1Q23归母净利润成长加速34 图表76：柏楚电子已自主研发并掌握五大核心技术，技术体系完整性全球领先34 图表77：固高科技业务布局35 图表78：固高科技主要产品35 图表79：3C行业景气度较低22年收入小幅增长36 图表80：成本费用增长角度22年归母净利润同比下降36 图表81：固高科技收入主要来自运动控制部件类产品36 图表82：固高科技部件类产品毛利率较高36 1.1运动控制系统是数控机床、机器人等高端装备高效运行核心环节 运动控制系统是依照具体的运动轨迹要求，根据负载情况，通过驱动器、驱动执行电机完成相应运动轨迹要求的系统。通常包括运动控制器、驱动、执行器、运动反馈单元等。 运动控制系统是依照具体的运动轨迹要求，根据负载情况，通过驱动器、驱动执行电机完成相应运动轨迹要求的系统。通常包括运动控制器、驱动、执行器、运动反馈单元等。 图表1：运动控制系统通常包括运动控制器、驱动、执行器、运动反馈单元等 来源：《运动控制系统（第2版）》，固高科技招股说明书，国金证券研究所 运动控制系统经过多年发展，目前普遍以基于计算机的数字控制为基础，在云计算、工业互联网、人工智能等新技术加持下，运动控制系统的智能化、柔性化、控制精度等各方面能力均快速提升。 图表2：运动控制系统发展历史 发展阶段 技术分类 主要技术特征(典型代表) 最早期 模拟时代(步进时代) 步进控制器+步进电机+电液脉冲马达 20世纪70年代 直流模拟时代 基于微处理器技术的控制器+大惯量直流电机 20世纪80年代 交流模拟时代 基于微处理器的控制器+模拟式交流伺服系统 20世纪90年代数字化初级阶段 数字/模拟/脉冲混合控制，通用计算机控制器+脉冲控制式数字交流伺服系统 21世纪初至2014年全数字化时代基于PC的控制器+网络数字通信+数字伺服系统+智能控制 2014年至今人工智能技术时代人工智能+网络+全数字控制 来源：Wi