运动控制专题研究：人形机器人核心部件，高壁垒环节

运动控制专题研究： 人形机器人核心部件，高壁垒环节 【华西机械团队】 分析师：黄瑞连SAC NO：S1120524030001邮箱：huangrl@hx168.com.cn 分析师：王宁SAC NO：S1120524080002邮箱：wangning@hx168.com.cn 2025年4月 核心观点 运动控制系统：人形机器人核心部件，高壁垒环节。人形机器人的感知决策需要依赖大模型提供的“大脑”，肢体控制则依赖于“小脑”—运动控制系统。先进的运动控制技术是人形机器人等高端装备实现高速、高精度、高实时响应作业性能的关键，完整的运动控制系统包括人机交互界面、控制器、驱动器、电机等部件，其中控制器、驱动器、电机三者相互联系，共同组成运动控制系统的主干。运动控制产品集成计算机控制、微电子等多项技术，并需要长期深入工业一线应用场景进行不断的知识反馈、经验吸收和技术迭代，是基础研究和应用实践紧密结合的高竞争壁垒领域。人形机器人的自由度明显超出普通高端装备，为运动控制带来了更高的挑战，也带来了更高的市场空间，参考工业母机行业，高档数控系统价值约占高端数控机床成本的20%-40%。 运动控制器：运动控制系统的核心，壁垒最高。控制器是运动控制系统中的核心模块，其基于对被控对象（运动机械机构）的运动学和动力学模型，依托内置的逻辑控制、精密定位、轨迹控制等高性能运动控制算法，将接收到的控制指令进行运动规划，以完成特定运动轨迹、位姿、位置、速度与加速度控制，是运动控制系统的“大脑”，技术壁垒最高。运动控制器分为通用控制器与专用控制器两大类，通用控制器主要包括PLC、PC-Based运动控制卡、嵌入式控制器三大类，专用控制器包括工业母机数控系统、工业机器人专用控制器等。 驱动系统：运动控制系统的执行机构。驱动系统由驱动器与电机组成，驱动器是用来控制电机的一种装置，控制器产生的命令信号是微小的信号，需要驱动器放大这些信号至高功率的电压和电流以满足电机工作的需要。驱动系统包括伺服系统和步进系统两大类，其中伺服系统是闭环控制，通过内置编码器实时反馈电机位置和精度，具备高精度、高实时响应等优势，市场规模超200亿元；步进系统是开环控制，依赖脉冲信号驱动电机按固定步距角转动，无反馈机制，具有控制简单、成本低、可靠性高等方面的优势，但精度受限，市场规模在10亿元量级。 投资建议：运动控制系统需求短期看顺周期复苏，中长期看制造业升级与机器人产业爆发，尤其是人形机器人的迅速发展，将为运动控制带来更广阔的发展空间。受益标的：汇川技术、信捷电气、伟创电气、雷赛智能、固高科技、华中数控、埃斯顿等。 风险提示：人形机器人进展不及预期；顺周期复苏不及预期；行业竞争加剧的风险。 运动控制系统：人形机器人核心部件 1.运动控制系统：人形机器人核心部件 运动控制系统是人形机器人的核心部件。人形机器人的核心功能模块包括感知、决策、控制与执行等四部分，感知需要依赖各类传感器与视觉镜头，决策依赖于大模型的计算能力，控制的载体则为运动控制系统，即所谓的人形机器人“小脑”。 也是智能高端装备的核心基础。运动控制是指对机械运动部件（即执行机构）的位置、速度、方向等变量进行实时控制，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。以反馈控制为核心、机构为被控对象、数学为基础的运动控制技术是人类在发明和制造机器的过程中发展起来的一门科学技术，是现代工业不可或缺的“制器之技”，高端装备之所以具备“高速、高精度、高实时响应”的作业性能，先进的运动控制系统在其中起着决定性的关键作用。 1.运动控制系统：人形机器人核心部件 运动控制系统是一个复杂的有机整体。一个完整的运动控制系统一般由人机交互界面、控制器、驱动器、电机等部件构成，其中控制器、驱动器、电机三者相互联系，共同组成了运动控制系统的主干。操作员通过人机交互界面将运动指令下达给控制器，同时利用人机界面监控系统的运动状态；控制器接收操作指令后进行运动轨迹规划，形成控制参数，向驱动器发送控制信号；驱动器将控制信号转变为能够驱动电机运转的电流和电压信号；执行电机按所设定的力矩、速度、位置等指令信号完成相应的运动；另外，测量反馈装置将检测到的内外部信息向上反馈，保证运动控制系统能够正确运行。 1.运动控制系统：人形机器人核心部件 市场需求：短期看顺周期复苏，中长期看制造业升级与机器人产业爆发。 1）作为顺周期品种，运动控制系统短期需求取决于宏观经济变化。运动控制系统作为工业自动化的核心基础，产业链相对成熟，被广泛应用于机器人、机床、半导体、纺织机械、包装机械等各行各业，其短期需求不可避免受到宏观经济影响，受单一行业影响较小，顺周期属性明显。国内制造业PMI近6个月有5个月位于荣枯线之上（仅25M1受春节扰动PMI低于50%），显示内需企稳回升趋势明显。 2）中长期受益于制造业智能化升级。无论国内，还是全球，制造业均存在智能化升级改造的趋势，这是提升生产力的必然选择，运动控制系统作为制造业升级的关键核心装置，中长期需求必然增长。 3）人形机器人产业爆发会带来更广阔的发展空间。AI大模型等技术的快速发展使得具身智能机器人的产业爆发成为可能并提前，以“小脑”形式存在的运动控制系统作为核心模块，价值量占比可参考机床数控系统（高档数控机床中数控系统成本占比20-40%），将充分受益机器人产业爆发。根据东方财富网报道，马斯克表示Optimus机器人将于今年开启试生产，预测今年产能可达5000-10000个，特斯拉目标在2026年生产5万个。 1.运动控制系统：人形机器人核心部件 运动控制产品技术复杂，壁垒较高。运动控制产品的研发与设计集成了计算机控制技术、电力电子技术、微电子技术、信号检测与处理技术等多项技术，尤其是控制层和驱动层的算法具有较高的技术难度，且需要长期深入工业一线应用场景进行不断的知识反馈、经验吸收和技术迭代，是基础研究和应用实践紧密结合的高竞争壁垒领域。生产制造上，由于集成度高，不同元器件之间间隔距离近，需要承受电压和电流以及外界恶劣的运行环境，产品设计和工艺实现需要考虑绝缘、耐压、散热、抗干扰、电磁兼容性等诸多因素，想要大批量生产出可靠性和稳定性高的产品，需要长时间经验积累，对生产工艺、元器件特性和制造水平要求较高。对新进入者来说，其产品的可靠性和稳定性需要经过长期使用和严苛环境检验，才能逐步被用户认可。 2023年国内工控自动化本土品牌市占率仅53%。从整个工业自动化的口径来看，根据格物致胜数据，2023年本土工控品牌市场份额仅为53%，但处于加速提升状态。 1.运动控制：人形机器人核心部件 控制器：运动控制系统的核心，壁垒最高 2.控制器：运动控制系统的核心，壁垒最高 控制器是运动控制系统中的核心模块，相当于机器的“大脑”。控制器基于对被控对象（运动机械机构）的运动学和动力学模型，依托内置的逻辑控制、精密定位、轨迹控制等高性能运动控制算法，将接收到的控制目标指令进行运动规划，完成特定运动轨迹、位姿、位置、速度与加速度控制，以及符合控制目标的精准指令输出（如温度、流量、速压力、位移等），并通过多种传感器信息反馈实现闭环控制，是运动控制系统的“大脑”。 运动控制器由轨迹生成器、插补器、控制回路和步序发生器四部分构成。轨迹生成器计算出任务希望的理想轨迹，生成控制相序和脉冲，达到控制运动对象的目的。插补器根据位置或速度反馈单元的实际状态，按照轨迹生成器的要求，计算出驱动单元下一步将要执行的命令，然后交由控制回路进行精确控制。如果是步进电机，则还有一部分就是步序发生器，步序发生器根据控制回路控制指令进一步生成控制相序和脉冲，达到控制运动对象的目的。 2.控制器：运动控制系统的核心，壁垒最高 控制器分为通用控制器与专用控制器两大类。通用控制器面向基础运动控制需求，支持直线、单点等简单轨迹规划，功能相对标准化，适合多行业通用场景，主要包括PLC、PC-Based运动控制卡、嵌入式控制器三大类。专用控制器针对特定行业需求深度优化，支持复杂运动模式（如三维空间圆弧、螺旋运动）和高级算法（电子齿轮、样条曲线等），适用于高精度、高动态要求的场景，包括工业母机数控系统、工业机器人专用控制器等。 通用控制器中，控制卡能够实现更为复杂的运动控制。1）PLC：早期专注于逻辑控制与信号处理，擅长开关量控制、定时计数等基础逻辑操作，系统相对简单，体积小，可靠性高；目前PLC已不仅局限于基础逻辑控制功能，还能通过模块化扩展与算法优化实现高精度运动控制。2）PC-Based运动控制卡：以“板卡”形态存在，通常采用高性能DSP和FPGA作为核心处理器，系统通用性强、可拓展性强，能够满足复杂运动的算法要求；用户通常以PC机作为信息处理平台，运动控制器以插卡形式嵌入PC机，即“PC+运动控制器”的模式，将PC机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动控制能力有机地结合在一起，可实现高性能多轴协调运动控制和高速点位运动控制。3）嵌入式控制器：以工业计算机的形态存在，集成了工业计算机和插卡式运动控制器。 资料来源：固高科技招股书，华西证券研究所 2.控制器：运动控制系统的核心，壁垒最高 控制器的技术壁垒最高。物体的运动要遵循一条轨迹，当一机械的轴被要求从点A移动到点B时，需要生成这两点间的连接轨迹，在运动控制中，这条轨迹也称为运动曲线，基于用户或者编程者定义的设定运动参数，控制器可以生成一个轴的运动曲线。每一运动由运动类型和约束条件组成，即运动位置/距离、最大速度和加减速，根据这些信息，轨迹发生器产生一条速度曲线，或者为梯形或者为S形。遵循这条速度曲线，轴从起点开始运动，加速到指定速度运行一段时间，然后减速，到达终点停止。运动可以是沿一条直线的单轴运动，但大多数场合要更复杂，比如CNC的切削刀具可能要求沿圆周运动，就要求多轴联动，此时需要运动控制器将运动曲线分配给各个轴，监控I/0并且闭合反馈回路，控制器要接收每一个轴对应电机的反馈信息，当某个轴上的给定和实际位置或速度存在差异（跟随误差）时，控制器会对相应的轴发出校正命令。因此控制器是运动控制系统中最核心的环节，当控制轴数更多、轨迹规划更复杂时，对控制器的要求就会更高，一般运动控制器毛利率超过50%。 人形机器人对控制器的要求更高。以工业机器人为例，六轴机器人是控制难度相对较大的，其需要控制的轴数为6个，而特斯拉Optimus人形机器人仅全身关节就有28个（相当于28个轴），再加上灵巧手，一个人形机器人的自由度超过50个，这给运动控制带来了更高的挑战，也带来了更高的价值空间。 2.1 PLC：市场规模160亿元，国产化率不足20% PLC即可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）。PLC本质上是一种专用于工业控制的计算机，使用可编程存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与计算等功能，并通过模拟或数字I/O组件，控制各种机械或生产过程的装置，是机器设备逻辑控制和实时数据处理的中心。 国内市场规模160亿元左右。受宏观需求走弱影响，最近2年PLC需求放缓，根据睿工业统计数据，2023年国内PLC市场规模约160亿元，同比-5.6%近5年CAGR=5.3%。 小型PLC主要应用于OEM市场，中大型PLC多应用于项目项市场。行业内通常根据I/O点数多少来划分PLC规格大小，一般I/O点数越多，控制关系越复杂，要求的程序存储器容量也越大，可编程控制器的指令及其他功能也较多，能够适应大型、复杂的控制任务。根据中国工控网2015年数据，小型PLC在OEM市场应用占比94%，在项目型市场占比6%；中型PLC在OEM市场占比31%，在项目性市场占比69%；大型PLC在OEM市场占比9%，在项目性市场占比91%。 2.1 PLC：市场规模160亿元，国产化率不足20% 欧美日PLC技术领先，国内处于追赶地位。欧美的可编程控制器是各自独立研发成功的，在技术上存在明显的差异；日