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中 泰 证 券 研 究 所 专 业 领 先 深 度 诚 信 证 券 研 究 报 告 2 0 2 3.12.31人形机器人专题2：编码器分析师：曾彪S0740522020001研究助理：农 誉2CONTENTS目录CCONTENTS专 业 领 先 深 度 诚 信中 泰 证 券 研 究 所1编码器：原理&分类XVBYvMmRpMpOsMpMqNsNoP8OdN9PtRoOpNsOjMpPnMkPmMnPbRrRxPMYtPrNwMrNrO3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 的运动资料来源：禾川科技可转债券募集说明书，中泰证券研究所 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。4编码器：分类&应用资料来源：Heidenhain 官网，禾川科技可转债券募集说明书，中泰证券研究所 编 码 器分类：1）线性 vs 旋 转编码器 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。应用场景 分类项目 分类使用场景 线性编码器 旋转编码器结构图示例5编码器：分类&应用资料来源：Heidenhain 官网，步科股份，中泰证券研究所 编 码 器分类：2）绝对式 vs 增 量 式（使 用条件）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：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：通电时立即提取位置信息，无需回零抗干扰、数据可靠，生产效率高通电时必须进行参考点回零操作可连续运动，可用于速度测量绝对式 增量式码盘：N 圈光通道刻线，按2 线、4线、8 线 依次编排，可获取2 的N次方个绝对位置码盘：均匀刻出N 条通光码道，旋转一圈产生N 次光信号无需回零复位结构复杂，价格高可获取：角度信息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6编码器：按技术类型分类资料来源：步科股份，CUI Devices，瑞典莱纳林德 产品介绍,中泰证券研究所 编 码 器分类：3）按技术 类型 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）7编码器：按技术类型分类资料来源：CUI Devices，瑞典莱纳林德产品介绍,中泰证券研究所 编 码 器分类：3）按技术 类型 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。8CONTENTS目录CCONTENTS专 业 领 先 深 度 诚 信中 泰 证 券 研 究 所2编码器市场格局9编码器市场细分：使用场景和技术类型资料来源：Global Market Insights：Encoder Market Global Industry Analysis and Forecast(2023-2029)，中泰证券研究所 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Global Market Insights 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。根据Global Market Insights 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。10编码器市场规模资料来源：Mordor Intelligence，Global Market Insights：Encoder Market Global Industry Analysis and Forecast(2023-2029)，中泰证券研究所 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Mordor Intelligence 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%。根据Global Market Insights 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。11编码器新增量：人形机器人资料来源：Tesla AI Day 2022，heidenhain 官网，中泰证券研究所 人形机器 人编码 器 要求 高分辨率、小型 化、高稳定 性 高 度 集成化 要求：旋转关 节 双编码器码盘尺寸 增加码道宽度 缩小高分辨率、高 精 度 要求有悖于小 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 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。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AMRTMR 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。12编码器新增量：人形机器人资料来源：Tesla AI Day 2022，中泰证券研究所 人形机器 人编码 器 市场空间 测算执行器 部位 数量 全身 示例旋转执行器肩膀(yaw/roll/pitch)3 6髋部/身体右边 1（hip yaw）左边 2（hip/torso yaw）3手腕（roll）1 2髋部/身体右边 2（hip/torso roll）左边 1（hip roll）3执行器 部位 数量 全身 示例线性执行器手腕（pitch/yaw）2 4膝盖+髋部(pitch)2 4脚踝(roll/pitch)2 4肘部(pitch)1 2手部执行器指关节 6 12 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。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。Tesla 在2022 年的Ai day 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。13编码器新增量：人形机器人资料来源：Tesla AI Day 2022，中泰证券研究所 人形机器 人编码 器 市场空间 测算 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 单台机器人用量单台机器人编码器数量编码器价格/元单台机器人价值量/元旋转执行器肩膀 3 6 12 120 1440髋部 3 6 120 720手腕 1 2 4 100 400肘部 3 6 150 900线性执行器手腕 2 4 4 100 400膝盖 2 4 4 150 600脚踝 2 4 4 120 480肘部 1 2 2 120 240手部执行器 指关节 6 12 12 80 960合计 54 614014CONTENTS目录CCONTENTS专 业 领 先 深 度 诚 信中 泰 证 券 研 究 所3产业链主要公司梳理15资料来源：奥普光电招股说明书，禹衡光学官网，倍能编码器，中泰证券研究所奥普光电：光编码器国产化替代先行者 奥普光电 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 自主知识产 权和品 牌；禹衡 光学 业绩情况2019 2020 2021 2022 2023H1营业收入/百万元148.33 166.47 208.76 178.99 86.84净利润/百万元5.96 9.86 13.61 12.45 3.10 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。光栅刻画 技术领 衔 国内项目 参数 示例室温 准确 度 0.5电气允许 转速 360r/min绝对位数 23-29 bit最高电流 消耗 700 mA尺寸 轴径14mm 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29 bit，且采 用自主知 识产权 芯 片，具备体积 小、高 分 辨率等特 点。16资料来源：禾川科技公告，乐达博华官网，中泰证券研究所禾川科技：携手博世，有望实现技术跃迁 禾川科技 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，博世 中国持有公司7,550,684 股股份，占公司 总股本 的5%；2）同日，公 司 宣 布 与 罗 伯 特 博 世、博 世 中 国 共 同 出 资 设 立 合 资 公 司 乐 达 博 川，合 资 公 司 注 册 资 本 为12,000万元，罗 伯 特 博世/博世中国/禾川 科技 分 别 持股40%/10%/50%。项目 产品协同公司 禾川科技 乐达博华（罗伯特博士控股子公司）驱动器、控制器伺服驱动器、伺服电机和编码器 伺服驱动器、控制器编码器21 位磁编码器，23 位光编码器 23 位高精度绝对值编码器线性传动公司拟发行可转债，募集资金总额 7.5 亿元，其中5.65 亿元投向规划生产精密传动部件滚珠丝杠副和滚动直线导轨等柔性输送系统，滚柱导轨导向系统 2023 年11 月9 日，乐达博华与Fortive 福迪威传感技术平 台旗下HENGSTLER，联手探索新一代编码器技术的应 用，结合博世力士乐在工业 自动化 领 域的沉淀 和禾川 的 生产制造、渠道 能 力，双方 有望在 高 端工控领 域实现 协 同突破。17编码器：国内企业相关布局资料来源：汇川技术年报，汇通科技、昊志电机、伟创电气，鸣志电器等公司公告,中泰证券研究所 编码器：主要公 司 及产品布 局公司 相关业务 产品示例汇川技术2011 年通过外延收购设立长春汇通光电技术有限公司，具备关键光电编码器自主生产能力；汇通光电产品涵盖旋转/直线，增量/绝对式光电、磁编码器昊志机电公司攻克智能机器人用高精度编码器，产品具备下述特点性能特点：1）高精度（定位精度 40，重复定位精度 10）2）工作温度范围宽（-40 至+85，满足严苛气候条件下的应用）3）高可靠性（耐油污粉尘和水汽，维护方便，性能稳定可靠）4）高分辨率（通过对时钟脉冲累加计数实现位移测量，具有高分辨率特点）伟创电气公司自制光电、磁编码器均进入小批量验证阶段，在通用伺服上启动试用，同时，公司在机器人领域布局的伺服一体轮和轴关节均采用自制编码器。公司计划逐步推进提升编码器自用比例，预计在2024 年，待市场验证成熟稳定后逐步实现替代-鸣志电器拥有超过10 个系列的编码器产品，搭配空心杯和无齿槽电机，尺寸覆盖 8-2 2，技术类型为磁编，光编等推出全新MH13/MH22 高性能编码器，更高规格的芯片拓宽性能和应用场景，为公司首款匹配高速无齿槽电机的高速编码器，设计紧凑，实现小型化（直径约13mm）18CONTENTS目录CCONTENTS专 业 领 先 深 度 诚 信中 泰 证 券 研 究 所4风险提示194.风险提示 人 形 机 器 人 产 业 化 进 度 不 及 预 期。其 他 新 型 传 感 技 术 持 续 迭 代。测 算 结 果 基 于 一 定 假 设 导 致 的 结 果 不 确 定 性 的 风 险。研 究 报 告 使 用 的 公 开 资 料 可 能 存 在 信 息 滞 后 或 更 新 不 及 时 的 风 险。20重要声明 中 泰 证 券 股份 有限 公 司（以下 简称“本 公 司”）具 有 中 国 证券 监督 管 理 委 员会 许可 的 证 券 投资 咨询 业 务 资 格。本 公 司 不 会因 接收 人 收 到 本报 告而 视 其 为 客户。本报告基 于本公 司及其研 究人员 认为可信 的公开 资料或实 地调研 资料，反 映了作 者的研究 观点，力求独立、客观和公正，结论 不受任何 第三方 的授意或 影响。本公司力 求但不 保证这些 信息的 准确性和 完整性，且本报 告中的资料、意见、预测均反 映报告 初次公开 发布时 的判断，可能会 随时调整。本公 司对本报 告所含 信息可在 不发出通知 的 情形下 做出修 改，投资 者应当 自 行关注 相应的 更 新或修 改。本 报 告所载 的资料、工具、意见、信 息及推测只提 供给客 户作参考 之用，不构成任 何投资、法律、会计或 税务的最 终操作 建议，本 公司不 就报告中 的内容对最终 操作建 议做出任 何担保。本报告 中所指 的投资及 服务可 能不适合 个别客 户，不构 成客户 私人咨询 建议。市场有风 险，投 资需谨慎。在任 何情况下，本公 司不对任 何人因 使用本报 告中的 任何内容 所引致 的任何损 失负任何责任。投资者 应 注意，在法律 允 许的情 况下，本 公司及 其本公 司 的关联 机构可 能 会持有 报告中 涉 及的公 司所发 行 的证券并进行 交易，并可能为 这些公 司正在提 供或争 取提供投 资银行、财务顾 问和金 融产品等 各种金 融服务。本公司及其本 公司的 关联机构 或个人 可能在本 报告公 开发布之 前已经 使用或了 解其中 的信息。本报告版 权归“中泰证券 股份有 限公司”所有。事先未经 本公司 书面授权，任何 机构和个 人，不 得对本报 告进行任何 形 式的翻 版、发 布、复制、转载、刊登、篡改，且 不得对 本报告 进 行有悖 原意的 删 节或修 改。
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