運動控制行業(yè)深度：高端裝備“大腦”，機器人孕育新空間

▍摘要

運動控制器+執(zhí)行器（驅(qū)動電機）+傳感器構(gòu)成運動控制系統(tǒng)，是數(shù)控機床、機器人等高端裝備的核心基礎(chǔ)部件：運動控制主要指按照運動軌跡要求，在復(fù)雜條件下把規(guī)劃指令變成期望的機械運動，通過執(zhí)行器（通常由伺服驅(qū)動+電機構(gòu)成）實現(xiàn)驅(qū)動，并通過傳感器完成閉環(huán)反饋。運動控制系統(tǒng)是高端裝備的核心基礎(chǔ)部件，決定了裝備的精度、效率，同時其也是不同品牌高端裝備形成差異化競爭的重要構(gòu)成。

運動控制器為運動控制系統(tǒng)“大腦”，通用運動控制器主要分為PLC、嵌入式、PC-Based三大類：運動控制器主要任務(wù)是根據(jù)運動控制的要求和傳感器件的信號進行必要的邏輯、數(shù)學運算，為電機或其它動力和執(zhí)行裝置提供正確的控制信號，性能直接決定了運動控制系統(tǒng)的性能水平。

工業(yè)機器人通常采用PC作為上位機完成人機交互/軌跡規(guī)劃，基于PLC或PC-Based控制器通過關(guān)節(jié)控制、位置控制、力控制實現(xiàn)運動控制：工業(yè)機器人通常采用PC作為上位機完成人機交互和軌跡規(guī)劃，確定運動控制參數(shù)，再通過單/多關(guān)節(jié)控制（由電機驅(qū)動，電流、速度、位置檢測實現(xiàn)閉環(huán)），位置控制（可通過笛卡爾位置控制在關(guān)節(jié)控制基礎(chǔ)上實現(xiàn)），力控制（采用多維力傳感器獲取笛卡爾坐標系中的力信息實現(xiàn)反饋）實現(xiàn)運動控制，最終經(jīng)過電機驅(qū)動，經(jīng)過齒輪組、減速器等為關(guān)節(jié)提供動能，通過關(guān)節(jié)速度、位置、力控制實現(xiàn)多自由度運動。

人形機器人在工業(yè)機器人基礎(chǔ)上進一步強調(diào)“類人”屬性，步態(tài)控制、手臂控制、軌跡規(guī)劃要求均更高，難度預(yù)計將顯著提升，有望帶來市場需求增量：人形機器人采用“類人”結(jié)構(gòu)，步行狀態(tài)下的運動控制系統(tǒng)屬于非線性和強耦合，易受環(huán)境因素干擾，假設(shè)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)分別為3/1/3個自由度，僅下肢就為一個14自由度系統(tǒng)，多關(guān)節(jié)聯(lián)動控制難度較高。在手臂控制除多關(guān)節(jié)聯(lián)動帶來的難度外，其“類人”屬性對于沖擊（代表力矩變化的快慢，影響振動、機械磨損等因素）控制的要求更高，以實現(xiàn)平穩(wěn)的抓取和抬舉物品，并且為了實現(xiàn)與環(huán)境交互，需要引入視覺傳感器來完成空間定位實現(xiàn)軌跡規(guī)劃。更多的聯(lián)動關(guān)節(jié)數(shù)量、更多的傳感器都將加大運動控制難度，同時在工業(yè)機器人應(yīng)用中，軌跡規(guī)劃的應(yīng)用需要專業(yè)工程師通過編程處理，學習成本較高，考慮人形機器人未來有消費級應(yīng)用場景，軌跡規(guī)劃必須通過軟件進行封裝，將功能集成并設(shè)計出可視化界面，從而降低使用門檻。

運動控制22年全球市場空間155億美元，19年國內(nèi)市場空間425億元人民幣，中高端運動控制市場以海外品牌為主，國內(nèi)企業(yè)在各自領(lǐng)域已實現(xiàn)一定突破：根據(jù)MARKETS AND MARKETS數(shù)據(jù)，22年全球運動控制市場空間155億美元，預(yù)計到27年達到200億美元，CAGR5.2%。根據(jù)固高科技招股說明書數(shù)據(jù)，19年國內(nèi)運動控制系統(tǒng)市場規(guī)模425億元人民幣，其中運動控制器、伺服系統(tǒng)市場規(guī)模分別為85/340億元人民幣。目前高性能運動控制及伺服系統(tǒng)市場參與者主要為海外廠商如歐姆龍、倍福、ACS、Aerotech等，國內(nèi)企業(yè)分別在運動控制器、伺服驅(qū)動器等領(lǐng)域也實現(xiàn)了一定突破，根據(jù)雷賽智能招股說明書數(shù)據(jù)，通用運動控制器中的PC-Based控制卡市場，固高科技、雷賽智能、成都樂創(chuàng)、眾為興為代表的國內(nèi)品牌占據(jù)了70%以上的市場份額；根據(jù)睿工業(yè)數(shù)據(jù)，21年匯川技術(shù)、禾川科技伺服市場占有率分別達到了16.3%/2.8%實現(xiàn)突破，但仍有較大國產(chǎn)替代空間。

▍正文

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運動控制為數(shù)控機床、機器人等高端裝備“大腦”

1.1運動控制系統(tǒng)是數(shù)控機床、機器人等高端裝備高效運行核心環(huán)節(jié)

運動控制系統(tǒng)是依照具體的運動軌跡要求，根據(jù)負載情況，通過驅(qū)動器、驅(qū)動執(zhí)行電機完成相應(yīng)運動軌跡要求的系統(tǒng)。通常包括運動控制器、驅(qū)動、執(zhí)行器、運動反饋單元等。

運動控制系統(tǒng)是依照具體的運動軌跡要求，根據(jù)負載情況，通過驅(qū)動器、驅(qū)動執(zhí)行電機完成相應(yīng)運動軌跡要求的系統(tǒng)。通常包括運動控制器、驅(qū)動、執(zhí)行器、運動反饋單元等。

運動控制系統(tǒng)經(jīng)過多年發(fā)展，目前普遍以基于計算機的數(shù)字控制為基礎(chǔ)，在云計算、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)加持下，運動控制系統(tǒng)的智能化、柔性化、控制精度等各方面能力均快速提升。

運動控制系統(tǒng)屬于國家戰(zhàn)略物資，對于數(shù)控機床、機器人及各類高端裝備高質(zhì)高小運行至關(guān)重要，運動系統(tǒng)的智能化控制是裝備領(lǐng)域和制造行業(yè)的核心技術(shù)，決定了裝備的精度、效率。

1.2 運動控制器為運動控制開始，通用運動控制器分為 PLC 控制器、嵌入式控制器、PC-based 控制卡

運動控制器由軌跡生成器、插補器、控制回路和步序發(fā)生器四部分構(gòu)成。首先由軌跡生成器計算出任務(wù)希望的理想軌跡，插補器根據(jù)位置或速度反饋單元的實際狀態(tài)，按照軌跡生成器的要求，計算出驅(qū)動單元下一步將要執(zhí)行的命令，然后交由控制回路進行精確控制。如果是步進電機，則還有一部分就是步序發(fā)生器，步序發(fā)生器根據(jù)控制回路控制指令進一步生成控制相序和脈沖，達到控制運動對象的目的。

運動控制器的硬件按照核心器件組成包括基于微處理器（MCU）、專用芯片（ASIC）、PC-Based、數(shù)字信號處理芯片（DSP）、可編程邏輯控制器（PLC）、多核處理器等。隨著技術(shù)的進步和完善，運動控制器從以單片機、微處理器或?qū)Ｓ眯酒鳛楹诵奶幚砥?，發(fā)展到以 DSP 和FPGA 作為核心處理器的通用開放式運動控制器。

根據(jù)平臺不同，通用運動控制器可以分為 PLC 控制器、嵌入式控制器和 PC-Based 控制卡三大類。

1.3 運動控制器+執(zhí)行器（驅(qū)動電機）+傳感器構(gòu)成了主流運動控制系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)是一種能對機械運動按預(yù)定要求進行自動控制的系統(tǒng)，其作用是使輸出的機械位移（或轉(zhuǎn)角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角），實現(xiàn)輸出變量精確跟隨或復(fù)現(xiàn)輸入變量。

伺服系統(tǒng)目前主要包括交流伺服系統(tǒng)、直流伺服系統(tǒng)和步進系統(tǒng)三類。

為實現(xiàn)高速度、高精度運動控制，伺服系統(tǒng)需對距離、位移、速度、加速度（力）、角度、角速度、角加速度等參數(shù)進行檢測，并通過實時監(jiān)測實現(xiàn)閉環(huán)反饋，需要與傳感器進行配套使用。

常見傳感器包括光柵尺（直線位移檢測）、編碼器（角位移檢測）、激光雷達/視覺檢測（距離檢測）、電阻應(yīng)變式傳感器（力矩檢測）等。

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人形機器人運動控制難度預(yù)計將顯著加大，有望帶來市場需求增量

2.1 工業(yè)機器人通常采用 PC 作為上位機完成人機交互/軌跡規(guī)劃，基于 PLC 或 PC-Based控制器通過關(guān)節(jié)控制、位置控制、力控制實現(xiàn)運動控制

工業(yè)機器人廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域，控制系統(tǒng)是機器人的核心部分，其功能強弱、性能優(yōu)劣直接影響機器人的最終性能。通常采用 PC 上位機+專用運動控制器的架構(gòu)，以 PC為上位機完成人機交互和運動軌跡規(guī)劃，重點設(shè)計了基于DSP和FPGA的專用運動控制器，其中 DSP 完成機器人運動控制任務(wù)的調(diào)度，實現(xiàn)對機器人關(guān)節(jié)空間的實時控制，F(xiàn)PGA 則用于控制系統(tǒng)所需各功能接口的設(shè)計。實現(xiàn)了直角坐標空間的機器人軌跡規(guī)劃和速度控制，具備直線和圓弧基本軌跡插補算法及 S 形曲線加減速算法，改善機器人前端運動的平穩(wěn)性。

軌跡規(guī)劃直接決定了機器人的運動方式。軌跡規(guī)劃為基于工作任務(wù)和機器人性能，求解機器人位姿等運動量關(guān)于時間的函數(shù)，輸入為期望軌跡、運動學和動力學參數(shù)，輸出機器人各關(guān)節(jié)或末端執(zhí)行器的運動量，包括位移、速度、加速度等的時間序列。

工業(yè)機器人機器人軌跡規(guī)劃一般分為基本軌跡規(guī)劃和最優(yōu)軌跡規(guī)劃，其中基本軌跡規(guī)劃分為笛卡爾空間規(guī)劃和關(guān)節(jié)空間規(guī)劃。

最優(yōu)軌跡規(guī)劃通?？紤]效率、能量小號、平穩(wěn)性等因素，找到每種工況環(huán)境需要的最優(yōu)軌跡規(guī)劃方案：

01

時間最優(yōu)規(guī)劃

最常見的最優(yōu)軌跡規(guī)劃需求，通常通過運動學或動力學約束尋找最優(yōu)解；運用遺傳算法等各種優(yōu)化算法來求解最優(yōu)解；將時間模型轉(zhuǎn)化為其他更為通用的模型。

02

能量最優(yōu)規(guī)劃

一方面試圖尋找出最平滑的軌跡來減少關(guān)節(jié)間的能量損耗，另一方面也通過優(yōu)化整個動力系統(tǒng)來達到能量分配最優(yōu)。

03

沖擊最優(yōu)規(guī)劃

旨在找到使機器人沖擊最小的軌跡，其目的一方面是為了減小機器人在運動過程中的沖擊，在很大程度上可以減小軌跡跟蹤的誤差，另一方面可以大大減少機器人因為沖擊過大而產(chǎn)生的共振、抖動、機械磨損、使用壽命縮減等缺陷，使機器人能夠穩(wěn)定平順運行。

04

混合最優(yōu)軌跡規(guī)劃

綜合考慮兩種或以上最優(yōu)性優(yōu)化方案，其中時間-能量最優(yōu)軌跡研究開展時間最長，也是工業(yè)生產(chǎn)中要求最高的兩項指標。工業(yè)機器人根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形態(tài)、用途、作業(yè)要求等不同有較多分類，但控制上以多軸實時運動控制為主，基于關(guān)節(jié)控制、位置控制、力控制完成作業(yè)任務(wù)。

1）關(guān)節(jié)控制：關(guān)節(jié)控制為工業(yè)機器人最基礎(chǔ)和核心的控制過程，單關(guān)節(jié)控制不考慮關(guān)節(jié)之間的影響，機器人的機械慣性被當做擾動項來進行處理，通常通過電機實現(xiàn)驅(qū)動，由電流檢測、速度檢測、位置檢測構(gòu)成閉環(huán)控制。

多關(guān)節(jié)控制在單關(guān)節(jié)的基礎(chǔ)上要考慮關(guān)節(jié)之間的影響，通常將其他關(guān)節(jié)的對當前關(guān)節(jié)的影響作為前饋項引入位置控制器，從而構(gòu)成多關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)。

2）位置控制：工業(yè)機器人位置控制與關(guān)節(jié)空間軌跡有緊密聯(lián)系，以六自由度工業(yè)機器人為例，可通過笛卡爾位置控制由給定位置、關(guān)節(jié)空間位置轉(zhuǎn)換、6 路單關(guān)節(jié)位置控制器實現(xiàn)工業(yè)機器人末端按照給定的位置和姿態(tài)運動。

3）力控制：采用多維力傳感器獲取笛卡爾坐標系中的多維力、力矩信息，多維力傳感器主要由力敏元件、信號采集電路、信號調(diào)理電路、多維信號解耦系統(tǒng)(硬件或軟件解耦)、上位機或嵌入式系統(tǒng)信息處理軟件等構(gòu)成。

多維力傳感器廣泛裝配在機器人機械臂。在工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)線中，將多維力傳感器裝載于小型機械臂的前端或者機械手爪末端。協(xié)助機器人手臂實現(xiàn)力度的控制、輪廓追蹤、孔位搜索以及機械臂防碰撞等功能，保障機器人操作安全與功能實現(xiàn)。

以機械臂控制為例，每個關(guān)節(jié)均含有離合器、制動器、諧波減速器，以電機為動力源，經(jīng)齒輪組、減速器為關(guān)節(jié)提供動能，通過對關(guān)節(jié)速度、位置、力進行調(diào)節(jié)，完成多自由度旋轉(zhuǎn)運動。

2.2 人形機器人強調(diào)“類人”屬性，步態(tài)控制、抗沖擊、軌跡規(guī)劃要求均更高，難度顯著提升

2.2.1 下肢控制：步行運動控制難度較高

人形機器人由于采用了“類人”腿部結(jié)構(gòu)，步行狀態(tài)下的運動控制系統(tǒng)屬于非線性和強耦合，人形機器人需保持步行穩(wěn)定同時按照期望的軌跡行走，同時存在在地面不平整、路面障礙物的干擾，控制難度較高。根據(jù)《基于動作捕捉技術(shù)對仿人機器人運動學分析與仿真》信息，人形機器人下肢可簡化為 14 自由度系統(tǒng)，其中，髖關(guān)節(jié)為 3 個自由度，分別為橫滾、俯仰和偏轉(zhuǎn)，通過 1 個虎克副和 1 個旋轉(zhuǎn)副來連接；同樣的傳動方式也作用于踝關(guān)節(jié)的 3 個自由度，每個膝關(guān)節(jié) 1個前向自由度，通過 1 個旋轉(zhuǎn)副連接。

目前人形機器人的步態(tài)控制一種方式為基于具有反饋機制的控制回路 PID 控制器，通過PSO 計算進行控制優(yōu)化。優(yōu)化后可通過 Matlab 仿真對于控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度、機器人跟蹤路徑是否有改善進行驗證。

2.2.2 手臂控制：視覺前饋+逆運動學求解實現(xiàn)軌跡規(guī)劃，“類人”屬性對于沖擊等指標要求更高

以一個四自由度雙臂人形機器人為例，其運動控制系統(tǒng)包含機械臂與伺服電機及控制器，機械臂在肩部含有兩個自由度、肘部含有兩個自由度。

機械臂控制類似工業(yè)機器人多關(guān)節(jié)控制，以肩關(guān)節(jié)作為坐標系原點，通過機器視覺確定機械臂末端姿態(tài)與需要達到的定位，再通過逆運動學算法求解得到關(guān)節(jié)變量的解析解，最后控制各關(guān)關(guān)節(jié)以“類人”姿態(tài)完成作業(yè)任務(wù)。

沖擊（Jerk）為機器人運動過程中加速度的導(dǎo)數(shù)，代表力矩變化的快慢，沖擊會產(chǎn)生振動、過沖、機械磨損和壽命減少等問題?？紤]人形機器人的機械臂有“類人”屬性，在操作上需要平穩(wěn)地進行抓取和抬舉物品，對于實現(xiàn)最小沖擊要求更高。

2.2.3 軌跡規(guī)劃：對于軌跡規(guī)劃算法的集成化、智能化、可視化要求更高

人形機器人要實現(xiàn)“類人”行為，自由度相比工業(yè)機器人更高，傳感器的應(yīng)用也會明顯增加，例如需要引入視覺傳感以實現(xiàn)與環(huán)境交互和空間定位（用于軌跡規(guī)劃）。在工業(yè)機器人應(yīng)用中，軌跡規(guī)劃的應(yīng)用往往需要專業(yè)工程師通過編程處理，學習成本較高?？紤]人形機器人未來有消費級應(yīng)用場景，軌跡規(guī)劃必須通過軟件進行封裝，將功能集成并設(shè)計出可視化界面，從而降低使用門檻。

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全球市場空間155億美元，國內(nèi)市場空間425億元人民幣

3.1 運動控制 22 年全球市場空間 155 億美元，預(yù)計 27 年達到 200 億美元

根據(jù) MARKETS AND MARKETS 數(shù)據(jù)，22 年全球運動控制市場空間 155 億美元，預(yù)計到 27 年達到 200 億美元，期間復(fù)合增速 5.2%。增長主要來自于工業(yè)機器人需求持續(xù)增長、工業(yè)4.0 持續(xù)發(fā)展等。

3.2 國內(nèi)運動控制市場規(guī)模 19 年達到 425 億元，后續(xù)有望保持高增長

根據(jù)固高科技招股說明書數(shù)據(jù)，2019 年中國運動控制系統(tǒng)的總體市場規(guī)模為 425 億元，其中運動控制器市場規(guī)模 85 億元，伺服系統(tǒng)市場規(guī)模 340 億元。

“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》明確提出，到 2025 年，我國的供給能力明顯增強，智能制造裝備和工業(yè)軟件技術(shù)水平和市場競爭力顯著提升，國內(nèi)市場滿足率要分別超過 70%和50%，未來運動控制市場有望保持高增長。

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海外品牌領(lǐng)跑中高端運動控制市場，國內(nèi)企業(yè)已實現(xiàn)突破

4.1 中高端運動控制與伺服驅(qū)動以歐美、日系廠商為主 目前高性能運動控制及伺服驅(qū)動產(chǎn)品的主要參與者為國外廠商

運動控制器生產(chǎn)商主要包括 Delta Tau Data Systems Inc.（美國泰道，已被歐姆龍收購）、ACS Motion Control Ltd.（以色列 ACS）、Aerotech Inc.（美國 Aerotech）等。伺服驅(qū)動器生產(chǎn)商主要包括Kollmorgen Corp.（美國科爾摩根）、以色列 ElmoMotion Control Ltd（以色列 ELMO）等。

海外企業(yè)在產(chǎn)品豐富度、產(chǎn)品成熟度方面處于領(lǐng)先地位，以倍福（Beckhoff Automation）為例，其 22 年全球銷售額為 15.15 億歐元，同比增長 28%，全球員工人數(shù) 5680 人。

倍?；?PC 平臺打造開放式自動化系統(tǒng)，產(chǎn)品包括工業(yè) PC、I/O 和現(xiàn)場總線組件、驅(qū)動技術(shù)、自動化軟件、無控制柜自動化系統(tǒng)以及機器視覺硬件等，產(chǎn)品豐富度、成熟度較高。

4.2 國內(nèi)企業(yè)在運動控制器、伺服驅(qū)動器等領(lǐng)域已實現(xiàn)一定突破

目前國內(nèi)市場參與者包括禾川科技、華中數(shù)控、埃斯頓、雷賽智能、匯川技術(shù)、固高科技等企業(yè)。

國內(nèi)企業(yè)在運動控制器、伺服驅(qū)動等領(lǐng)域的核心技術(shù)、市場份額上已實現(xiàn)一定突破。

通用控制器市場分為 PLC 控制器、專用控制器、PC-based 控制卡等，外資品牌定位高端，國內(nèi)品牌在 PC-Based 控制卡市場形成一定突破：1）PLC 控制器和嵌入式控制器市場，日本三菱、松下、西門子等外資品牌占據(jù)主要高端市場，中低端市場是完全市場化的競爭格局；

2）PC-Based 控制卡市場，高端市場由美國泰道、翠歐等外資品牌占據(jù)，但國內(nèi)品牌逐漸向中高端發(fā)力，外資品牌市場份額呈現(xiàn)萎縮態(tài)勢。目前，以固高科技、雷賽智能、成都樂創(chuàng)、眾為興為代表的國內(nèi)品牌占據(jù)了 70%以上的市場份額。匯川技術(shù)、禾川科技等企業(yè)在伺服系統(tǒng)市場形成了突破，但仍有較大國產(chǎn)替代空間。

國產(chǎn)替代進展不及預(yù)期：目前在運動控制器、伺服驅(qū)動器領(lǐng)域國內(nèi)企業(yè)已實現(xiàn)突破，部分國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)步入第一梯隊，但弱技術(shù)研發(fā)、市場開拓力度弱于海外企業(yè)，或?qū)е聡a(chǎn)替代進展不及預(yù)期，影響企業(yè)業(yè)績增長。

人形機器人產(chǎn)業(yè)化進展不及預(yù)期：人形機器人由于對運動控制要求較高，人形機器人的產(chǎn)業(yè)化將顯著提升運動控制市場需求增量，弱人形機器人產(chǎn)業(yè)化進展不急預(yù)期，將影響企業(yè)業(yè)績增長。