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敬请参阅最后一页特别声明 1 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 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。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 2 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 ZXCXyRsPsRqRtNnOmRsNpO8OaO6MtRnNtRoNlOnNtMiNnNtNaQmMuMNZsRsOxNnNtO行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 3 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：ABB RobotStudio Suite 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 行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 4 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 行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 5 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 行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 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 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：Wind，国金证券研究所 运动控制系统属于国家战略物资，对于数控机床、机器人及各类高端装备高质高小运行至关重要，运动系统的智能化控制是装备领域和制造行业的核心技术，决定了装 备的精度、效率。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 7 图表3：运 动 控 制系 统为 高端 装备 核心 基础 部件 来源：固高科技招股说明书，国金证券研究所 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 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。首先由轨迹生成器计算出任务希望的理想轨迹，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。图表4：运 动 控 制器 构成 来源：运动控制系统（第 2 版），国金证券研究所 运动控制器的硬件按照核心器件组成包括基于微处理器（MCU）、专用 芯片（ASIC）、PC-Based、数字信号处理芯片（DSP）、可编 程逻 辑控 制器（PLC）、多核 处理 器等。随着技术的进步和完善，运动控制器从以单片机、微处理器或专用芯片作为核心处理器，发 展到以 DSP 和FPGA 作为核心处理器的通用开放式运动控制器。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 8 图表5：运 动 控 制器 按照 核心 器件 组成 分类 来源：运动控制系统（第 2 版），国金证券研究所 根据平台不同，通用运动控制器可以分为 PLC 控制器、嵌入式控制器和 PC-Based 控制卡三大类。图表6：通 用 运 动控 制器 主要 分类 分类 特点 应用领域 PLC 控制器 系统简单，体积小，可靠性高，但不支持复杂算法，可以通过在 PLC 平台上，添加驱动步进电机或伺服电机的位置控制模块，在为各种机械设备提供逻辑控制的同时，提供运动控制功能 可以用于圆周运动或直线运动的控制，广泛应用于各种机械、机床、机器人和电梯等行业 嵌入式控制器 涵盖从简单到复杂的各种运用，具有应用灵活、稳定性高、定制性强、价格便宜、操作和维护方便的特点 在针织机械、激光、切割、点胶机等设备制造行业有广泛的应用 PC-Based 控制卡 系统通用性强、可拓展性强，能够满足复杂运动的算法要求、抗干扰能力强，可供用户根据不同的需求，在 DOS 或Windows 等平台下自行开发应用软件，组成各种控制系统 主要应用于电子、半导体、工业机器人、包装等领域 来源：雷赛智能招股说明书，国金证券研究所 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 伺服系统是一种能对机械运动按预定要求进行自动控制的系统，其作用是使输出的机械位移（或 转角）准确 地跟 踪输 入的 位移（或 转角），实现 输出 变量 精确 跟随 或复 现输 入变 量。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 9 图表7：伺 服 系 统通 常由 伺服 驱动+电机+编码器组成 来源：固高科技招股说明书，国金证券研究所 伺服系统目前主要包括交流伺服系统、直流伺服系统和步进系统三类。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 类别 简介 交流伺服系统 交流伺服系统依据不同的电机运行原理分为永磁同步交流伺服系统、感应交流伺服系统、磁阻同步交流伺服系统和无刷直流伺服系统，当前市场以永磁同步电机及无刷直流伺服电机为主。交流伺服电机通过驱动器磁场换向实现电流的精确通知，同时它具备转矩密度大、效率高、力矩大，响应快，可靠性高等特点，在工业场景得到广泛应用。直流伺服系统 直流伺服系统由直流伺服驱动器和直流伺服电机组合构成。直流伺服电机通过电刷进行换向，驱动器只需输出正负直流电机即可驱动电机正反运行。由于直流电机的输出特性，它的力矩线性、平稳，通常被用在高精密的控制领域。同时，直流伺服电机可配备编码器形成闭环系统。因此，直流伺服系统可准确掌握电机的转动情况，实现精确的定位。步进系统 步进系统由步进驱动器和步进电机组合构成，步进驱动器接收指令信号后，驱动步进电机按设定的方向转动固定的角度，因此可通过驱动器发出的控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。步进系统通常为开环系统，在步进电机添加编码器后也可形成闭环控制系统。来源：固高科技招股说明书，国金证券研究所 为实 现高 速度、高精 度运 动控 制，伺服 系统 需对 距离、位移、速度、加速 度（力）、角度、角速 度、角加 速度 等参 数 进行 检测，并通 过实 时监 测实 现闭 环反 馈，需要 与传 感器 进行 配套使用。图表9：运 动 控 制系 统通 过反 馈装 置实 现闭 环控 制 运 动 控制系统类别 简介 开环控制系统 没有反馈装置来验证输出的实际值是否达到期望结果的系统，步进电机通常为开环工作 闭环控制系统 使用反馈装置来验证是否达到期望的系统，例如采用编码器作为电机的反馈元件，将相关位置或速度信息反馈到运动控制器 来源：运动控制系统（第 2 版），国金证券研究所 常见传感器包括光栅尺（直线位移检测）、编码器（角位移检测）、激光雷达/视觉 检测（距离检 测）、电 阻应 变式 传感 器（力矩 检测）等。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 10 图表10：运 动 控 制系 统通 过传 感器 实现 闭环 控制 来源：运动控制系统（第 2 版），国金证券研究所 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 工业机器人广泛应用于工业自动化领域，控制系统是机器人的核心部分，其功能强弱、性能优劣直接影响机器人的最终性能。通常 采用 PC 上位机+专用 运动控制器的架构，以 PC为上位机完成人机交互和运动轨迹规划，重点设计了基于DSP 和FPGA 的专用运动控制器，其中 DSP 完成机器人运动控制任务的调度，实现对机器人关节空间的实时控制，FPGA 则用于控制系统所需各功能接口的设计。实现了直角坐标空间的机器人轨迹规划和速度控制，具备直线和圆弧基本轨迹插补算法及 S 形曲线加减速算法，改善机器人前端运动的平稳性。图表11：工 业 机 器人 通常 采用 PC-Based 或 PLC 控制 器 架构 来源：工业机器人完全应用手册，国金证券研究所 轨迹规划直接决定了机器人的运动方式。轨迹规划为基于工作任务和机器人性能，求解机器人位姿等运动量关于时间的函数，输入为期望轨迹、运动学和动力学参数，输出机器人各关节或末端执行器的运动量，包括位移、速度、加速度等的时间序列。工业机器人机器人轨迹规划一般分为基本轨迹规划和最优轨迹规划，其中基本轨迹规划分为笛卡尔空间规划和关节空间规划。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 11 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 轨 迹 规 划方法 优点 缺点 工程应用 笛卡尔空间轨迹规划 直线和圆弧 方法简单直观，计算量较小 适用面较窄，后期可调节性较低 应用于轨迹不太复杂的作业，如常见的码垛、搬运等 多项式 提高机器人的运动效率和平滑性，并且次数越高，精度和拟合性就越好 次数较高时容易出现龙格现象，在插值区的两端出现较大振动 一般用于直线和圆弧在路径点间的过渡曲线 S 速度曲线 充分保证整个轨迹的速度、加速度平滑过渡，降低了机器人的振动和噪音，柔性扰动小 加速度曲线出现阶跃现象，容易造成机械磨损 应用于高精度曲线操作场合，尤其适用于速度较高的中间段 样条曲线 计算效率高、轨迹平滑，速度和加速度均连续 分段较多的情况下，计算量较大，需要高速处理芯片和较大内存的硬件支持 应用于较为复杂的自由路径，如焊接、切割等 关节空间轨迹规划 三次多项式 方法简单，计算量较小 加速度存在冲击，局限性较大 适用于点到点的简单运动情况，使用广泛 高阶多项式 加速度平滑，避免了冲击和振动 阶数较高在计算时容易造成失真现象 适用于点到点的高速高性能运动情况 梯形速度插补 计算量较小，做到了速度的平稳过渡 加速度存在阶跃，容易引起冲击和振动 用于轨迹参数配置较多的情况 三次样条曲线 轨迹平滑，速度、加速度均连续 加速度不平滑，容易造成跟踪误差的积累，甚至引起共振 用于较为简单的连续轨迹控制 NBRUS 有效避免了振动、冲击，且有局部支撑性 计算量较大，需要高性能芯片的支持 用于高精度复杂轨迹控制 来源：关节型工业机器人轨迹规划研究综述，国金证券研究所 最优轨迹规划通常考虑效率、能量小号、平稳性等因素，找到每种工况环境需要的最优轨迹规划方案：1）时间最优规划：最常见的最优轨迹规划需求，通常通过运动学或动力学约 束寻找最优解；运用 遗传 算法 等各 种优 化算 法来 求解 最优 解；将时 间模 型转 化为 其他 更为 通用 的模 型。2）能量最优规划：一方面试图寻找出最平滑的轨迹来减少关节间的能量损耗，另一方面也通过优化整个动力系统来达到能量分配最优。3）冲击最优规划：旨在找到使机器人冲击最小的轨迹，其目的一方面是为了 减小机器人在运动过程中的冲击，在很大程度上可以减小轨迹跟踪的误差，另一方面可以大大减少机器人因为冲击过大而产生的共振、抖动、机械磨损、使用寿命缩减等缺陷，使机器人能够稳定平顺运行。4）混合 最优 轨迹 规划：综合 考虑 两种 或以 上最 优性 优化 方案，其中 时间-能量最优轨迹研究开展时间最长，也是工业生产中要求最高的两项指标。工业机器 人根据不同的结构形态、用途、作业要求等不同有较多分类，但控制上以多轴实时运动控制为主，基于关节控制、位置控制、力控制完成作业任务。图表13：工 业 机 器人 控制 以多 轴运 动控 制为 主 类别 常见形态 控制轴数 承载能力(kg)重 复 定 位精度(mm)加工类 弧焊、切割 垂直串联 6 7 320 0.050.1 点焊 垂直串联 6 7 50350 0.20.3 装配类 通用装配 垂直串联 4 6 220 0.050.1 电子装配 SCARA 4 5 15 0.050.1 涂装 垂直串联 6 7 530 0.20.5 搬运类 装卸 垂直串联 4 6 5200 0.10.3 输送 AGV-56500 0.20.5 包装类 分拣、包装 垂直串联、并联 4 6 220 0.050.1 码垛 垂直串联 4 6 50 1500 0.5 1 来源：工业机器人完全应用手册，国金证券研究所 行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 12 1）关节控制：关节控制为工业机器人最基础和核心的控制过程，单关节控制 不考虑关节之间 的影 响，机器 人的 机械 惯性 被当 做扰 动项 来进 行处 理，通常 通过 电机 实现 驱动，由电流检测、速度检测、位置检测构成闭环控制。图表14：工 业 机 器人 的单 关节 控制 原理 来源：工业机器人设计与控制，国金证券研究所 多关节控制在单关节的基础上要考虑关节之间的影响，通常将其他关节的对当前关节的影响作为前馈项引入位置控制器，从而构成多关节控制系统。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 来源：工业机器人设计与控制，国金证券研究所 2）位置控制：工业机器人位置控制与关节空间轨迹有紧密联系，以六自由度 工业机器人为例，可通 过笛 卡尔 位置 控制 由给 定位 置、关节 空间 位置 转换、6 路单关节位置控制器实现工业机器人末端按照给定的位置和姿态运动。图表16：工 业 机 器人 笛卡 尔位 置控 制示 意 来源：工业机器人设计及控制，国金证券研究所 3）力控制：采用多维力传感器获取笛卡尔坐标系中的多维力、力矩信息，多 维力传感器主要由力敏元件、信号采集电路、信号调理电路、多维信号解耦系统(硬件 或软 件解 耦)、上位机或嵌入式系统信息处理软件等构成。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 13 图表17：电 容 式 三维 力传 感器 力敏 元件 构成 来源：机器人多维力传感器，国金证券研究所 多维力传感器广泛装配在机器人机械臂。在工业现场生产线中，将多维力传感器装载于小型机械臂的前端或者机械手爪末端。协助机器人手臂实现力度的控制、轮廓追踪、孔位搜索以及机械臂防碰撞等功能，保障机器人操作安全与功能实现。图表18：多 维 力 传感 器广 泛装 备在 机器 人机 械臂 来源：机器人用多维力传感器的设计与实现，国金证券研究所 以机械臂控制为例，每个关节均含有离合器、制动器、谐波减速器，以电机为动力源，经齿轮 组、减速 器为 关节 提供 动能，通过 对关 节速 度、位置、力进 行调 节，完成 多自 由度 旋转运动。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 14 图表19：机 械 臂 控制 原理 来源：工业机器人设计及控制，国金证券研究所 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 2.2.1 下肢控制：步行运动控制难 度较高 人形机器人由于采用了“类人”腿部结构，步行状态下的运动控制系统属于非线性和强耦合，人形 机器 人需 保持 步行 稳定 同时 按照 期望 的轨 迹行 走，同时 存在 在地 面不 平整、路面障碍物的干扰，控制难度较高。根据 基 于动 作捕 捉技 术对 仿人 机器 人运 动学 分析 与仿 真 信息，人形 机器 人下 肢可 简化为 14 自由度系统，其中，髋关节为 3 个自由度，分别为横滚、俯仰和偏转，通过 1 个虎克副和 1 个旋转副来连接；同样的传动方式也作用于踝关节的3 个自 由度，每个 膝关 节 1个前向自由度，通过 1 个旋转副连接。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 15 图表20：人 形 机 器人 下肢 可简 化为14 自由度系统 来源：基于动作捕捉技术对仿人机器人运动学分析与仿真，国金证券研究所 目前人形机器人的步态控制一种方式为基于具有反馈机制的控制回路 PID 控 制器，通 过PSO 计算进行控制优化。优化后可通过 Matlab 仿真对于控制系统的响应速度、机器人跟踪路径是否有改善进行验证。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 16 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 来源：仿人机器人 PID 控制优化仿真研究 国金证券研究所 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 以一个四自由度双臂人形机器人为例，其运动控制系统包含机械臂与伺服电机 及控制器，机械臂在肩部含有两个自由度、肘部含有两个自由度。图表22：四 自 由 度双 臂人 形机 器人 构成 来源：仿人机器人手臂动作模仿系统的研究与实现，国金证券研究所 机械臂控制类似工业机器人多关节控制，以肩关节作为坐标系原点，通过机器视觉确定机械臂末端姿态与需要达到的定位，再通过逆运动学算法求解得到关节变量的解析解，最后控制各关关节以“类人”姿态完成作业任务。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 17 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 来源：仿人机器人轻型高刚性手臂设计及运动学分析，国金证券研究所 冲击（Jerk）为机 器人 运动 过程 中加 速度 的导 数，代表 力矩 变化 的快 慢，冲击 会产 生振 动、过冲、机械 磨损 和寿 命减 少等 问题。考虑 人形 机器 人的 机械 臂有“类 人”属性，在操 作上需要平稳地进行抓取和抬举物品，对于实现最小冲击要求更高。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 人形机器人要实现“类人”行为，自由度相比工业机器人更高，传感器的应用也会明显增加，例如需要引入视觉传感以实现与环境交互和空间定位（用于轨迹规划）。在工业机器人 应用 中，轨迹 规划 的应 用往 往需 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。图表24：ABB RobotStudio Suite 提升了工业机器人的编程、模 拟的易用性 来源：ABB 官网，国金证券研究所 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 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，期间复合增速 5.2%。增长主要来自于工业机器人需求持续增长、工业4.0 持续发展等。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 18 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 来源：MARKETS AND MARKETS，国金证券研究所 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 根据固高科技招股说明书数据，2019 年中国运动控制系统的总体市场规模为 425 亿元，其中运动控制器市场规模 85 亿元，伺服系统市场规模 340 亿元。图表26：19 年 国内 运动 控制 系统 市场 规模 425 亿元 来源：固高科技招股说明书，国金证券研究所“十 四五”智能 制造 发展 规划 明确 提出，到 2025 年，我国 的供 给能 力明 显增 强，智能制造装备和工业软件技术水平和市场竞争力显著提升，国内市场满足率要分别超过70%和50%，未来运动控制市场有望保持高增长。0501001502002502022E 2027FCAGR:5.2%,85,340行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 19 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 来源：固高科技招股说明书，国金证券研究所 4.1 中高端运动控制与伺服驱动以欧 美、日系厂商为主 目前高性能运动控制及伺服驱动产品的主要参与者为国外厂商。运动控制器生产商主要包括 Delta Tau Data Systems Inc.（美 国泰 道，已被 欧姆 龙收 购）、ACS Motion Control Ltd.（以色列 ACS）、Aerotech Inc.（美国 Aerotech）等。伺 服 驱 动 器 生 产 商 主 要 包 括Kollmorgen Corp.（美国科尔摩根）、以色列 ElmoMotion Control Ltd（以色列 ELMO）等。图表28：海 外 品 牌较 为成 熟 公司 简介 欧姆龙(Omron）欧姆龙成立于 1996 年，总部位于日本，是一家专注工业自动化产品和应用的跨国公司，主要产品有运动控制器、机器人、传感器和继电器等。欧姆龙于 2015 年收购美国泰道，美国泰道所生产的运动控制器主要定位于高端市场，运动控制器主要有机械自动化控制器、多轴运动控制器和可编程逻辑控制器，应用于电子制造、机器人、激光切割等领域。倍福(Beckhoff Automation)倍福成立于 1980 年，总部位于德国，主营电气及自动化领域业务。倍福一直使用其基于 PC 的控制技术实施开放式自动化系统，其产品主要包括工业 PC、驱动产品和自动化软件、I/O 系统和现场总线组件等，可为各个工控领域提供开放式自动化系统和完整的解决方案。倍福在工业现场网络、工业软件领域具有深厚的积淀。ACS ACS 公司成立于 1985 年，总部位于以色列，在美国、中国、德国和韩国设有技术支持中心，其专注于运动控制领域，通过集成多轴控制、电源和精确性实现最高性能、灵活、节省成本和友好的全套解决方案。ACS 于2017 年被德国普爱(PI)收购。普爱成立于 1970 年，总部位于德国，是多种集成度的精密设备的领先供应商，能够生产和调整压电陶瓷驱动器、传感器和紧凑型运动控制器等元件，并于 2017 年收购了 ACS。艾罗德克(Aerotech)艾罗德克自 1970 年起，专注于为客户提供高性能的运动控制产品和定位系统产品，用户覆盖全 球的工业，政府，科学和研究机构，产品广泛应用于半导体、医疗、汽车、激光、电子制造等领域。埃莫(ELMO)埃莫成立于 1988 年，总部位于以色列，研发活动主要在以色列，在美国、德国、新加坡、上海、深圳、北京等地设立了销售和技术支持的分支机构，主要为工业和恶劣环境的电机设计研发伺服驱动器，先进的网络运动多轴控制器和完整的运动控制解决方案，其主要产品有伺服驱动器、伺服电机和多轴运动控制器，应用于电子和半导体行业、遥控潜水器行业、物流仓储等行业。科尔摩根(Kollmorgen)科尔摩根成立于 1916 年，是 全球领先的运动控制系统和配件供应商，其主要产品包括运动控制器，伺服驱动器，伺服电机，无框电机，步进电机，减速机等产品，其中伺服驱动器的技术水平和市场份额处于领先地位。来源：固高科技招股说明书，国金证券研究所 行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 20 海外企业在产品丰富度、产品成熟度方面处于领先地位，以倍福（Beckhoff Automation）为例，其 22 年全球销售额为 15.15 亿欧元，同比增长 28%，全球员工人数 5680 人。图表29：倍福 22 年全 球销 售额15.15 亿欧元同比增长 28%来源：倍福官网，国金证券研究所 倍福基于 PC 平台打造开放式自动化系统，产品包括 工业 PC、I/O 和现场总线组件、驱动技术、自动 化软 件、无控 制柜 自动 化系 统以 及机 器视 觉硬 件 等，产品 丰富 度、成熟 度较 高。图表30：倍 福 产 品丰 富度、成 熟度 较高 来源：倍福官网，国金证券研究所 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 目前国内市场参与者包括禾川科技、华中数控、埃斯顿、雷赛智能、汇川技术、固高科技等企业。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 21 图表31：国 内 主 要市 场参 与者 公司 简介 禾川科技 技术驱动的工业自动化控制核心部件及整体解决方案提供商，主要产品包括伺服系统、PLC 等，其中伺服系统又分为伺服驱动器、伺服电机和伺服系
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