人形机器人专题2：编码

中泰证券研究所专业｜领先｜深度｜诚信 ｜证券研究报告｜ 人形机器人专题2：编码器 2023.12.31 分析师：曾彪 S0740522020001 研究助理：农誉 nongyu@zts.com.cn 目 CONTENTSO 中泰 录 E 所 1NT 编码器：原理&分类 ｜领先｜深度 编码器：伺服系统实现闭环控制的关键 伺服系统的特点：对动作状态时刻进行确认，并通过不断反馈避免与指令信号发生偏差，从而使机械实现灵敏和高精度的运动 伺服系统工作原理： 1）控制指令发出：控制器（如PLC、HMI等）向伺服系统发出指令信号； 2）控制&驱动：伺服驱动器（伺服放大器）接收到指令信号后，控制伺服电机运转； 3）执行&反馈：编码器通常与电机相连，检测其状态，并把信号反馈回驱动器，驱动器对反馈信号进行汇总、分析、修正，从而精确控制执行机构的位置、速度、转矩等输出变量，实现闭环。 •伺服电机控制性能的关键：获取准确的反馈信息，形成闭环控制。编码器作为闭环反馈信号的提供者，在电机运行过程中，将位置信 号反馈至驱动器，驱动器依照反馈信号保证电机稳定和良好地输出性能。 3 编码器：分类&应用 编码器分类：1）线性vs旋转编码器 项目分类 应用场景分类 使用场景线性编码器旋转编码器 结构图 示例 •线性编码器：通过直线光栅尺测量并确定滑块的位置（光栅为测量基准，刻在玻璃或钢材基体上），应用于CNC铣床、车床和磨 床等高精度设备； •旋转编码器：根据轴的旋转运动反馈物体的角位置或运动状态，应用于工业自动化、工程机械和机器人等领域。4 编码器分类：2）绝对式vs增量式（使用条件） 编码器：分类&应用 绝对式增量式 线性编码器旋转编码器 绝对式增量式 光栅：由一系列绝对码编排而成， 位置信息由一系列绝对码编排的光栅读取，每个位置是唯一的： 通电时立即提取位置信息，无需回零抗干扰、数据可靠，生产效率高 光栅：由周期性的栅线组成光， 栅位置信息通过计算自某参考点开始的增量数获得： 通电时必须进行参考点回零操作可连续运动，可用于速度测量 码盘：N圈光通道刻线，按2线、4线、8线…依次编排，可获取2的N次方个绝对位置 无需回零复位 结构复杂，价格高可获取：角度信息 码盘：均匀刻出N条通光码道，旋转一圈产生N次光信号 需要回零复位 结构简单，价格便宜 可获取：距离、速度、位置信息 5 编码器分类：3）按技术类型 编码器：按技术类型分类 技术原理不同进行分类，编码器可分为光电式编码器、磁电式编码器、电感式编码器等类别。 光电式编码器磁电式编码器（Magnetic）电感式编码器（Inductive）电感式编码器（Inductive） 原理：光源发射出的光线经过码盘光栅形成光信号，通过光敏元件转化为电信号发送给输出电路 构成：光源、码盘、光敏元件（接收器）、输出电路 测量：角度、位移、速度、位置 原理：磁性材料的角度或位移变化电阻、电压的变化，通过磁感应原件可以对其进行测量 构成：码盘、磁感应元件（磁阻或霍尔元件）、调节电路等 测量：角度、位移 原理：转子上蚀刻了正弦波纹路，轴的转动可产生特殊的信号，依靠电极间电容值的变化来反映被测电极运动状态 构成：转子、固定发射器、固定接收器 测量：位置、旋转方向 原理：定子上的激发线圈通交流电，产生变化磁场，其在转子转动过程被部分屏蔽，定子中的接收线圈产生电压，发生周期性的变化 构成：定子（含激发线圈和接收线圈）、转子（震荡发生器）、调节电路等 测量：位置、速度（需添加FPGA） 6 编码器分类：3）按技术类型 编码器：按技术类型分类 技术原理不同进行分类，编码器可分为光学编码器、磁电式编码器、电感式编码器等类别。 项目 光学编码器（Optical） 磁电式编码器（Magnetic） 电容式编码器（Capacitive） 电感式编码器（Inductive） 耐灰尘、油污性 低 高 中 高 精准度 高 低 低 高 温度范围 中等 窄 宽 - 能耗 高 中 低 - 可编程 否 否 是 - 小型化 中 中 小 小 抗电场干扰 高 中 高 高 抗磁场干扰 高 低 高 高 分辨率 宽 窄 宽 宽 •光学编码器的优势为分辨率、准确度较高，但是码盘在灰尘、油污环境中易受污，影响可靠性和精度；磁编码器在精度和分辨率逊色于 光学编码器，其优势在于感应原理为未接触式（通过测量磁场的变化感应），不易受到恶劣环境的影响，更耐用、抗振和抗冲击； •区别于光、磁编码器，电容编码器通过测量电机间电场变化来实现信息反馈，具有可编程的特点，同时，电路板元件的体积相对码盘更小，易于实现封装尺寸小型化。电容编码器的不足在于精准度相对低，对制造工艺要求比较高，价格相对昂贵； •电感式编码器精度、分辨率均较高，且耐受灰尘、油污，但其对磁铁的距离和方向非常敏感，稍有偏离则容易造成测量误差。7 目 CONTENTSO 中泰 录 E 所 2NT 编码器市场格局 ｜领先｜深度 编码器市场细分：使用场景和技术类型 编码器市场细分情况：使用场景和技术类型 2022年编码器市场细分情况：旋转和线性编码器2022年编码器市场细分情况：按技术类型划分/% •根据GlobalMarketInsights预测，2022-2029年，编码器市场持续增长，全球工业自动化升级和机器人技术的发展而产生较大的需求。 •其中，旋转编码器的占比相对更高，由于其具有高精度、可测量角位置或旋转、高准确度的特性，主要用于对精确定位和运动控制要求相对较高的领域，如工业控制、机器人、和航空航天等。 •根据GlobalMarketInsights预测，2022年，光学、光电编码器市场占比接近一半，磁编码器占比接近30%；虽然光电编码器在精度上更高，但是磁编码器更佳的耐震动、耐油污、耐灰尘性能，使其更适配环境相对恶劣的工业生产环节。 •此外，从传感技术上看，磁编码器的传感器和码盘表面之间无物理接触，可减少磨损、维护要求，使用寿命更长；加上更具优势的成本，在CNC、半导体工业制造、机器人等领域 的使用数量有望逐步增长。9 编码器市场规模 编码器市场规模 2022年-2029年编码器市场规模预测（单位：亿美元）2022年编码器市场细分情况：下游应用场景 •根据GlobalMarketInsights预测，编码器市场规模有望从2022年的25.2亿美元增长至2029年的49.6亿美元，年复合增长率接近10.1%。 •其中，2022年北美占据最大的市场份额，根据GMI预测，随着亚太地区汽车行业、工业自动化领域的快速增长，预计2028年亚太地区将在全球编码器市场中占有最高份额。 •根据MordorIntelligence统计，2022年，市场分为工业、医疗、消费电子、汽车、印刷、纺织品和其他终端应用，其中工业领域占比最大。 •随着汽车、消费电子等工业的兴起，预计工业领域编码器市场占比逐步下滑，预计2028年工业领域用编码器市场规模接近10亿美元，占总计市场规模接近20.8%。 10 人形机器人编码器要求 编码器新增量：人形机器人 高分辨率、小型化、高稳定性高度集成化要求：旋转关节—双编码器 高分辨率、高精度要求 码盘尺寸增加 码道宽度缩小 有悖于小型化诉求 码道刻画难度增加，均匀性难以保障，造成性能稳定性降低 •光编码器在小型化、高稳定性的要求下，难以通过简单的增加码盘尺寸、或增加码道的方式达到更高的分辨率和精度，需要探寻新的工艺方案，例如利用MEMS工艺让LED和PD芯片实现结合、对电路结构进行特殊降噪设计、调整芯片晶体结构等； •磁编码器方向：传统霍尔效应的磁编码器发展较为成熟，但受限于精度，技术方向有望转向AMR\TMR类磁阻编码器；另一方面，编码器芯片的迭代是关键，解码芯片需要向更高频率升级，通过集成动态角度误差补偿等算法技术，提高抗干扰性。 •人形机器人关节集成，串联了电机和减速器，电机的旋转与另一侧的减速器旋转可能存在差异，双编码器可以同时提供电机输入端和减速之后的输出端的位置信息，以弥补传动装置的不准确性。 11 人形机器人编码器市场空间测算 编码器新增量：人形机器人 Tesla在2022年的Aiday展示了其人形机器人产品采用的关节执行器方案，为了降低研发、生产成本，公司将执行器方案缩减至六种。 执行器部位数量全身示例 执行器部位数量全身示例 肩膀 (yaw/36 roll/pitch) 右边1（hip 手腕 （pitch/ya24 w） 旋转执行器 髋部/身体 yaw）3 左边2（hip/ 手腕 （roll） 1 2 torsoyaw） 线性执行 膝盖+髋部 (pitch) 2 4 脚踝 (roll/pitch) 肘部 (pitch) 2 4 1 2 器 手部执行器 指关节 6 12 右边2 /（hip/torsoroll）3 髋部身体 左边1 （hiproll） •线性执行器合计三种方案（手腕、膝盖采用相同方案），单 台机器人总共需要14个执行器； •此外，Optimuns灵巧手采用电机驱动+腱绳传动方案，保留 •旋转关节合计三种方案（肩膀、髋部方案相同），单台机器人总共需要14个。 11个自由度，单手6个执行器（拇指两个，其他手指一个），单台机器人总共需要12个执行器。12 人形机器人编码器市场空间测算 编码器新增量：人形机器人 单台机器人编码器 编码器价格 单台机器人价值量 假设1）旋转执行器上采用双编码器方案；2）编码器价值量接近80-200元，则预计单台人形机器人中编码器的价值量接近6140元。 执行器 部位 单侧数量 单台机器人用量 数量 /元 /元 肩膀 3 6 12 120 1440 旋转执行器 髋部手腕 1 32 64 120100 720400 肘部 3 6 150 900 手腕 2 4 4 100 400 线性执行器 膝盖脚踝 22 44 44 150120 600480 肘部 1 2 2 120 240 手部执行器 指关节 6 12 12 80 960 合计 54 6140 13 目 CONTENTSO 中泰 录 E 所 3NT 产业链主要公司梳理 ｜领先｜深度 奥普光电 奥普光电：光编码器国产化替代先行者 禹衡光学：光编码器国产化替代先行者 •编码器市场长期被海外企业占据，例如海德汉、多摩川等，二者分别于1889年、1938年成立； •禹衡光学前身长春第一光学仪器厂于1965年成立，1986年开始 光栅刻画技术领衔国内 项目 参数 示例 室温准确度±0.5" 引进日本制造技术，确立编码器产品为发展重点，逐步形成自 禹衡光学业绩 情况 2019 2020 2021 2022 2023H1 主知识产权和品牌； 电气允许转速360r/min 营业收入/百 万元 净利润/百万元 148.33166.47208.76178.9986.84 5.969.8613.6112.453.10 绝对位数23-29bit 最高电流消耗<700mA 尺寸轴径14mm •2013年，奥普光电收购禹衡光学，切入光栅传感器业务， 2019-2023H1持股比例接近65%； •时至今日，禹衡光学主持制定了我国多项光学编码器行业标准，成为国内标杆企业，产量接近150万台/年； •禹衡光学应用于伺服行业的产品年销量超50万台，面向中端市场，有望逐步向中高端产品市场实现突破。 •优异的光栅刻划制造技术体现公司的核心竞争力，光栅线条均匀性、线条准直性、光栅精度在中端市场具备较佳的竞争力； •产品最高绝对位数做到29bit，且采用自主知识产权芯片，具备体积小、高分辨率等特点。 15 禾川科技 禾川科技：携手博世，有望实现技术跃迁 伺 禾川科技&博世力士乐达成深度合作： 1）2023年11月2日，博世中国与禾川的持股股东越超有限公司签署《股份转让协议》，本次权益变动后，