运动控制行业深度研究:高端装备“大脑” 机器人孕育新空间

类别:行业 机构:国金证券股份有限公司 研究员:满在朋/李嘉伦 日期:2023-07-06

  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MARKETS AND MARKETS 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

      投资建议

      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。

      风险提示

      国产替代进展不及预期,人形机器人产业化进展不及预期。