機(jī)械設(shè)備-機(jī)器人硬件拆解四：智能關(guān)節(jié)的控制與驅(qū)動(dòng)

證券研究報(bào)告|行業(yè)深度機(jī)械設(shè)備機(jī)器人硬件拆解四：智能關(guān)節(jié)的控制與驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)是主要成本，控制芯片是核心。伺服系統(tǒng)主要任務(wù)是按控制命令的要求，對(duì)功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動(dòng)裝置輸出的力矩、速度和位置控制非常靈活方便。伺服系統(tǒng)的基本組成部分包括電機(jī)、編碼器、驅(qū)動(dòng)器、控制器等，從成本構(gòu)成上看，驅(qū)動(dòng)器成本占整個(gè)伺服系統(tǒng)成本的42%，電機(jī)的成本占比約35%，編碼器成本占比約為11%。而對(duì)于驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)，主要結(jié)構(gòu)包括控制芯片、電源模塊、信號(hào)采集模塊、功率放大器、過(guò)熱保護(hù)電路和控制面板等部分，控制芯片是核心，成本占比超過(guò)50%。控制芯片的性能關(guān)系到伺服驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度和控制精度。此外，電源模塊主要用于向伺服電機(jī)供電，信號(hào)采集模塊用于采集電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)信息，產(chǎn)生控制信號(hào)。從成本端看，伺服驅(qū)動(dòng)主要成本為材料費(fèi)用，其中IGBT、DSP芯片占總材料成本的50%以上。智能關(guān)節(jié)是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)能力重要載體，控制算法難度大大增加。相較于傳統(tǒng)機(jī)器人，人形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制算法難度大大增加，主要表現(xiàn)在人形機(jī)器人有更加復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制規(guī)劃，以及更加復(fù)雜的傳感和反饋控制。為實(shí)現(xiàn)高度復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，人形機(jī)器人的關(guān)節(jié)通常需要更加智能化，其伺服驅(qū)動(dòng)器承擔(dān)部分運(yùn)動(dòng)控制功能，發(fā)揮“小腦”的作用。目前多數(shù)伺服驅(qū)動(dòng)器均具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)，內(nèi)部集成主控芯片，形成驅(qū)動(dòng)控制一體化架構(gòu)。主控芯片可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，一般采用數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)、高性能單片機(jī)(MCU)、FPGA等芯片。人形機(jī)器人打開需求空間，有望迎來(lái)百億級(jí)增量市場(chǎng)。通常情況下，伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器數(shù)量為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，而控制器可以同時(shí)控制多個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器。從市場(chǎng)空間來(lái)看，以特斯拉Optimus為例，其全身具有40個(gè)關(guān)節(jié)執(zhí)行器，則需要40個(gè)驅(qū)動(dòng)器與之配套，在100萬(wàn)臺(tái)人形機(jī)器人銷售假設(shè)下，我們測(cè)算其配套的驅(qū)動(dòng)器、控制器的市場(chǎng)空間分別約為80億元、45億元，合計(jì)125億元，其中驅(qū)控芯片市場(chǎng)空間約為6億元，人形機(jī)器人有望打開廣闊增量空間。建議關(guān)注：我們認(rèn)為機(jī)器人智能關(guān)節(jié)的控制與驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)聚焦于驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)器芯片兩個(gè)環(huán)節(jié)，1)建議關(guān)注國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的驅(qū)動(dòng)器廠商麥格米特、拓邦股份、英威騰；2)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度和控制精度，對(duì)伺服系統(tǒng)至關(guān)重要，建議關(guān)注國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)的電機(jī)驅(qū)控芯片生產(chǎn)商峰岹科技。風(fēng)險(xiǎn)提示：制造業(yè)擴(kuò)產(chǎn)不及預(yù)期、行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局加劇、假設(shè)和測(cè)算不完善。(維持)行業(yè)走勢(shì)16%0%-16%-32%2022-072022-112023-032023-07作者分析師張一鳴分析師歐陽(yáng)蕤研究助理劉嘉林相關(guān)研究6-30請(qǐng)仔細(xì)閱讀本報(bào)告末頁(yè)聲明P.2請(qǐng)仔細(xì)閱讀本報(bào)告末頁(yè)聲明 二、智能關(guān)節(jié)是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)能力重要載體 62.1人形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法難度大大增加 62.2驅(qū)動(dòng)承擔(dān)部分運(yùn)動(dòng)控制，芯片植入算法 82.3空間測(cè)算：驅(qū)動(dòng)器為運(yùn)動(dòng)控制硬件中價(jià)值量占比最高的環(huán)節(jié) 9 3.1麥格米特：平臺(tái)型公司構(gòu)筑深厚壁壘 113.2拓邦股份：全球領(lǐng)先的智能控制方案供應(yīng)商 12 3.4峰岹科技：國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片供應(yīng)商 14 圖表4：伺服系統(tǒng)成本拆分 4圖表5：伺服系統(tǒng)下游各行業(yè)占比(2021年) 4 圖表8：連續(xù)軌跡控制弧焊機(jī)器人 6圖表9：人形機(jī)器人底層技術(shù)與關(guān)鍵硬件 7圖表10：波士頓動(dòng)力Atlas翻跟頭動(dòng)作體現(xiàn)了人形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制頂尖水平 7 圖表13：特斯拉關(guān)節(jié)執(zhí)行器分布(橙色) 9 P.3請(qǐng)仔細(xì)閱讀本報(bào)告末頁(yè)聲明伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)(或給定值)的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。其主要任務(wù)是按控制命令的要求、對(duì)功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動(dòng)裝置輸出的力矩、速度和位置控制非常靈活方便。伺服系統(tǒng)最初用于國(guó)防軍工，如火炮的控制，船艦、飛機(jī)的自動(dòng)駕駛，導(dǎo)彈發(fā)射等，后來(lái)逐漸推廣到國(guó)統(tǒng)的組成及運(yùn)作流程資料來(lái)源：電子發(fā)燒友，國(guó)盛證券研究所服系統(tǒng)的分類P.4請(qǐng)仔細(xì)閱讀本報(bào)告末頁(yè)聲明驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)是伺服系統(tǒng)的主要成本，電子制造設(shè)備是主要應(yīng)用方向。伺服系統(tǒng)的基本器用于實(shí)時(shí)測(cè)量運(yùn)動(dòng)的位置和速度，并且編碼器通常嵌入于伺服電機(jī)本體內(nèi)，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)控制器輸出的PWM信號(hào)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，控制電機(jī)的速度和位置。從成本構(gòu)圖表3：一種一體化伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖資料來(lái)源：NiMotion，國(guó)盛證券研究所圖表4：伺服系統(tǒng)成本拆分圖表5：伺服系統(tǒng)下游各行業(yè)占比(2021年)42%究院，國(guó)盛證券研究所電源模塊、信號(hào)采集模塊、功率放大器、過(guò)熱保護(hù)電路和控制面板等部分。通過(guò)這些組成部分的協(xié)同工作，伺服驅(qū)動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的高精度控制和高速響應(yīng)。其中控制芯信號(hào)采集模塊用于采集電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)信息，產(chǎn)生控制信號(hào)。功率放大器用于將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為電機(jī)的工作電壓和電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。從成本端P.5請(qǐng)仔細(xì)閱讀本報(bào)告末頁(yè)聲明圖表6：伺服驅(qū)動(dòng)器成本構(gòu)成30%板P.6請(qǐng)仔細(xì)閱讀本報(bào)告末頁(yè)聲明二、智能關(guān)節(jié)是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)能力重要載體大大增加運(yùn)動(dòng)控制是機(jī)器技術(shù)的核心領(lǐng)域，傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人有三類控制方式。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制是指通過(guò)計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確控制的技術(shù)領(lǐng)域。其工作的基本原理是根據(jù)機(jī)器人的自由度和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，通過(guò)傳感器獲取機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)，利用控制算法計(jì)算出機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，然后通過(guò)執(zhí)行器(如電機(jī)和液壓裝置)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法包括以下幾種：2)連續(xù)軌跡控制方式(CP)。這種方式對(duì)工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的移動(dòng)軌跡有一定的精力矩信息，并根據(jù)預(yù)設(shè)的控制算法進(jìn)行反饋控制，以確保機(jī)器人在操作物體時(shí)施加的力控制數(shù)控鉆床圖表8：連續(xù)軌跡控制弧焊機(jī)器人資料來(lái)源：大河立鉆機(jī)床，國(guó)盛證券研究所資料來(lái)源：KawasakiRobotics，國(guó)盛證券研究所知識(shí)，并根據(jù)自身內(nèi)部的知識(shí)庫(kù)作出相應(yīng)的決策，而智能驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)正是智能控制的核心)執(zhí)行器——人形機(jī)器人關(guān)節(jié)，運(yùn)動(dòng)控制重要載體；3)驅(qū)動(dòng)器、控制器——人形P.7請(qǐng)仔細(xì)閱讀本報(bào)告末頁(yè)聲明圖表9：人形機(jī)器人底層技術(shù)與關(guān)鍵硬件資料來(lái)源：傅利葉智能公眾號(hào)，新浪財(cái)經(jīng)頭條，國(guó)盛證券研究所通常擁有人類類似的外形、肢體和受力方式，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作，完成各種任務(wù)。傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人或協(xié)作機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)控制方面相對(duì)簡(jiǎn)單，而人形機(jī)器人由于需要模擬人PID控制在人形機(jī)器人上的應(yīng)用受限，需要發(fā)展更高級(jí)的控制算法，如模型預(yù)測(cè)控制(ModelPredictiveControl，MPC)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)等。細(xì)的運(yùn)動(dòng)控制。傳感器在人形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中起到至關(guān)重要的作用。相較于傳統(tǒng)機(jī)器合要求更高的算法和技術(shù)，包括計(jì)算機(jī)視覺(jué)、傳感數(shù)據(jù)融合和人機(jī)交互等。因此，人形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法的難度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)機(jī)器人。圖表10：波士頓動(dòng)力Atlas翻跟頭動(dòng)作體現(xiàn)了人形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制頂尖水平資料來(lái)源：澎湃，國(guó)盛證券研究所P.8請(qǐng)仔細(xì)閱讀本報(bào)告末頁(yè)聲明越來(lái)越多地承擔(dān)了控制功能，驅(qū)動(dòng)和控制有集成化發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前主流的伺服驅(qū)動(dòng)器由精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制：，扭矩可通過(guò)向伺服驅(qū)動(dòng)監(jiān)控向伺服驅(qū)動(dòng)器提供速度信息的者又將信號(hào)發(fā)送至速度環(huán)，從而增大或減小速度，然后再將信息傳遞給電流環(huán)以實(shí)現(xiàn)扭：伺服驅(qū)動(dòng)器工作原理圖資料來(lái)源：中國(guó)工控網(wǎng)，國(guó)盛證券研究所伺服驅(qū)動(dòng)器集成控制功能，其主控芯片可實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜算法?，F(xiàn)在多數(shù)伺服驅(qū)動(dòng)器具有獨(dú)xP.9請(qǐng)仔細(xì)閱讀本報(bào)告末頁(yè)聲明峰岹科技電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制架構(gòu)器為運(yùn)動(dòng)控制硬件中價(jià)值量占比最高的環(huán)節(jié)Optimus驅(qū)動(dòng)器與之配制圖表13：特斯拉關(guān)節(jié)執(zhí)行器分布(橙色)資料來(lái)源：特斯拉AIDAY，國(guó)盛證券研究所人形機(jī)器人有望帶來(lái)大量驅(qū)動(dòng)器、控制器需求，100萬(wàn)臺(tái)銷量假設(shè)下合計(jì)市場(chǎng)空間逾P.10P.10人形機(jī)器人控制器、驅(qū)動(dòng)器及驅(qū)控芯片市場(chǎng)空間測(cè)算與敏感性分析價(jià)值量(元/個(gè))人形機(jī)器人預(yù)計(jì)用量(個(gè))單臺(tái)價(jià)值量(元)人形機(jī)器人銷量對(duì)應(yīng)市場(chǎng)空間(億元)100萬(wàn)臺(tái)500萬(wàn)臺(tái)1000萬(wàn)臺(tái)控制器003450045225450驅(qū)動(dòng)器20040800080400800其中：驅(qū)控芯制器+驅(qū)動(dòng)器合計(jì)1250062550算過(guò)程包含主觀假設(shè)，結(jié)論與實(shí)際可能存在誤差P.11請(qǐng)P.11公司構(gòu)筑深厚壁壘品廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備、家用及商業(yè)顯示、變頻家電、智能衛(wèi)浴、新能源汽車、設(shè)備、服務(wù)器、光伏、風(fēng)力發(fā)電、儲(chǔ)能、鋰電池包、工業(yè)微波、石油裝備等消費(fèi)和工業(yè)的眾多行業(yè)。麥格米特發(fā)展歷程P.12P.12麥格米特營(yíng)收及歸母凈利潤(rùn)麥格米特收入結(jié)構(gòu)營(yíng)業(yè)收入(億元)歸母凈利潤(rùn)(億元)020182019202020212022資料來(lái)源：Wind，國(guó)盛證券研究所 %精密連接智能裝備2018資料來(lái)源：Wind，國(guó)盛證券研究所領(lǐng)先的智能控制方案供應(yīng)商2007年在深交所掛牌上市，2016年成功收購(gòu)深圳合信達(dá)控制系統(tǒng)股份有限公司。經(jīng)過(guò)公司主營(yíng)業(yè)務(wù)為智能控制系統(tǒng)解決方案的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，即新能源、工業(yè)和智能解決方案等行業(yè)提供各種定制化解決方案。拓邦股份主要業(yè)務(wù)預(yù)期公司營(yíng)收有望保持穩(wěn)步增長(zhǎng)。從各個(gè)業(yè)務(wù)板塊來(lái)看，工具板塊營(yíng)收逐年上漲，目前P.13P.13拓邦股份營(yíng)收及歸母凈利潤(rùn)拓邦股份收入結(jié)構(gòu)營(yíng)業(yè)收入(億元)歸母凈利潤(rùn)(億元)營(yíng)收增速(%)歸母凈利潤(rùn)增速(%)%0其他智能解決方案工業(yè)新能源家電工具%2019工業(yè)自動(dòng)化和能源電力領(lǐng)域二十余年，擁有完整的研發(fā)、銷售、供應(yīng)鏈和服務(wù)平臺(tái)，是行業(yè)的主流供應(yīng)商之一。：英威騰發(fā)展歷程P.14請(qǐng)P.14100%50%0%-50%-200%-250%新能源汽車出現(xiàn)較大調(diào)整，公司對(duì)相關(guān)業(yè)務(wù)大幅計(jì)提應(yīng)收賬款減值、投資減值、商譽(yù)減100%50%0%-50%-200%-250%英威騰營(yíng)業(yè)收入及同比增速威騰歸母凈利潤(rùn)及同比增速50營(yíng)業(yè)收入(億元)營(yíng)業(yè)收入增速(%)20182019202020212022%43210歸母凈利潤(rùn)(億元)歸母凈利潤(rùn)增速(%)20182019202020212022 資料來(lái)源：Wind，國(guó)盛證券研究所資料來(lái)源：Wind，國(guó)盛證券研究所內(nèi)領(lǐng)先的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片供應(yīng)商2010公司自主研發(fā)電機(jī)控制芯片設(shè)計(jì)技術(shù)、電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)、驅(qū)動(dòng)架構(gòu)、傳感器技術(shù)及電機(jī)矢峰岹科技公司歷程司是專注于高性能BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制芯片的設(shè)計(jì)公司，產(chǎn)品涵蓋電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的全部關(guān)鍵芯片，包括電機(jī)主控芯片CHVICMOSFET集成度電機(jī)主控芯片產(chǎn)品，并可提供電機(jī)驅(qū)動(dòng)P.15請(qǐng)P.15：峰岹科技主要產(chǎn)品布局品圖示特點(diǎn)應(yīng)用·集成電機(jī)控制內(nèi)核(ME)和通用內(nèi)核；低領(lǐng)，適用于各種智能控制場(chǎng)通信設(shè)備、工眾多下游領(lǐng)域C刷電機(jī)驅(qū)驅(qū)供具小、集成度高、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。等多個(gè)領(lǐng)域。芯片驅(qū)動(dòng)器系列系列驅(qū)動(dòng)器系列系列護(hù)與電機(jī)件共同系統(tǒng)。低系動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯機(jī)驅(qū)動(dòng)控制塊IPM率器緊，主要應(yīng)用于吹風(fēng)筒等領(lǐng)域峰岹科技營(yíng)業(yè)收入與歸母凈利潤(rùn)3210營(yíng)業(yè)總收入(億元)歸母凈利潤(rùn)(億元)%2020202120222023Q1資料來(lái)源：Wind，國(guó)盛證券研究所岹科技營(yíng)業(yè)收入結(jié)構(gòu)%其他業(yè)務(wù)IPMMOSFETASICHVICMCU資料來(lái)源：Wind，國(guó)盛證券研究所P.16P.16提示設(shè)風(fēng)險(xiǎn)，將對(duì)測(cè)算結(jié)果造成影響。P.17請(qǐng)P.17免責(zé)聲明國(guó)盛證券有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱“本公司”)具有中國(guó)證監(jiān)會(huì)許可的證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格。本報(bào)告僅供本公司的客戶使用。本公司不會(huì)因接收人收到本報(bào)告而視其為客戶。在任何情況下，本公司不對(duì)任何人因使用本報(bào)告中的任何內(nèi)容所引致的任何損失負(fù)任何責(zé)任。本報(bào)告的信息均來(lái)源于本公司認(rèn)為可信的公開資料，但本公司及其研究人員對(duì)該等信息的準(zhǔn)確性及完整性不作任何保證。本報(bào)告中的資料、意見及預(yù)測(cè)僅反映本公司于發(fā)布本報(bào)告當(dāng)日的判斷，可能會(huì)隨時(shí)調(diào)整。在不同時(shí)期，本公司可發(fā)出與本報(bào)告所載資料、意見及推測(cè)不一致的報(bào)告。本公司不保證本報(bào)告所含信息及資料保持在最新狀態(tài)，對(duì)本報(bào)告所含信息可在不發(fā)出通知的情形下做出修改，投資者應(yīng)當(dāng)自行關(guān)注相應(yīng)的更新或修改。本公司力求報(bào)告內(nèi)容客觀、公正，但本報(bào)告所載的資料、工具、意見、信息及推測(cè)只提供給客戶作參考之用，不構(gòu)成任何投資、法律、會(huì)計(jì)或稅務(wù)的最終操作建議,本公司不就報(bào)告中的內(nèi)容對(duì)最終操作建議做出任何擔(dān)保。本報(bào)告中所指的投資及服務(wù)可能不適合個(gè)別客戶，不構(gòu)成客戶私人咨詢建議。投資者應(yīng)當(dāng)充分考慮自身特定狀況，并完整理解和使用本報(bào)告內(nèi)容，不應(yīng)視本報(bào)告為做出投資決策的唯一因素。投資者應(yīng)注意，在法律許可的情況下，本公司及其本公司的關(guān)聯(lián)機(jī)構(gòu)可能會(huì)持有本報(bào)告中涉及的公司所發(fā)行的證券并進(jìn)行交易，也可能為這些公司正在提供或爭(zhēng)取提供投資銀行、財(cái)務(wù)顧問(wèn)和金融產(chǎn)品等各種金融服務(wù)。本報(bào)告版權(quán)歸“國(guó)盛證券有限責(zé)任公司”所有。未經(jīng)事先本公司書面授權(quán)，任何機(jī)構(gòu)或個(gè)人不得對(duì)本報(bào)告進(jìn)行任何形式的發(fā)布、復(fù)制。任何機(jī)構(gòu)或個(gè)人