人形機器人給運動控制系統行業帶來增量內資產業覆蓋度高運動控制器向中高端發力

2025-03-10 09:51

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前言：運動控制系統是工業自動化設備的核心部件，工業機器人的發展利好運動控制系統行業發展。與工業機器人相比，人形機器人強調“類人”屬性，步態控制、抗沖擊、軌跡規劃要求均更高，難度顯著提升，有望給運動控制系統帶來市場需求增量。

運動控制系統主要由控制層、驅動層以及執行層共同構成，在政策鼓勵下，內資廠商在各品類拓展上均進展順利，行業覆蓋度較高，運動控制系統國產替代勢不可擋。細分來看，我國運動控制器向中高端發力，PC-Based 控制卡市場由美國泰道、翠歐等外資品牌占據的格局正在被打破；伺服系統方面，早期日系廠商優勢突出，但 2020 年以來內資如匯川技術等奮起直追，開始加速替代。

一、工業機器人發展利好運動控制系統行業發展，人形機器人有望帶來市場需求增量

根據觀研報告網發布的《中國運動控制系統行業發展現狀調研與投資趨勢研究報告（2025-2032年）》顯示，運動控制是工業自動化控制核心場景、運動控制系統是工業自動化設備的核心部件，可以使系統終端執行機構的位置、速度、轉矩等輸出參數準確地跟隨輸入量變化，運動控制是電子制造、鋰電光伏、物流、工業機器人等先進制造生產執行過程中實現精確定位、精準運動的必要途徑。

2022年全球運動控制系統行業規模達155億美元，隨著工業機器人發展，預計到2027 年全球運動控制系統行業規模達到 200 億美元，期間復合增速 5.2%。

數據來源：觀研天下數據中心整理

工業機器人通常采用 PC 作為上位機完成人機交互/軌跡規劃，基于 PLC 或 PC-Based 控制器通過關節控制、位置控制、力控制實現運動控制。而人形機器人強調“類人”屬性，步態控制、抗沖擊、軌跡規劃要求均更高，難度顯著提升，有望給運動控制系統帶來市場需求增量。

工業機器人運動控制分類

類別	簡介
關節控制	關節控制為工業機器人最基礎和核心的控制過程，單關節控制不考慮關節之間的影響，機器人的機械慣性被當做擾動項來進行處理，通常通過電機實現驅動，由電流檢測、速度檢測、位置檢測構成閉環控制。多關節控制在單關節的基礎上要考慮關節之間的影響，通常將其他關節的對當前關節的影響作為前饋項引入位置控制器，從而構成多關節控制系統。
位置控制	工業機器人位置控制與關節空間軌跡有緊密聯系，以六自由度工業機器人為例，可通過笛卡爾位置控制由給定位置、關節空間位置轉換、6 路單關節位置控制器實現工業機器人末端按照給定的位置和姿態運動。
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、信號調理電路、多維信號解耦系統(硬件或軟件解耦)、上位機或嵌入式系統信息處理軟件等構成。多維力傳感器廣泛裝配在機器人機械臂。在工業現場生產線中，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。協助機器人手臂實現力度的控制、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。以機械臂控制為例，每個關節均含有離合器、制動器、諧波減速器，以電機為動力源，經齒輪組、減速器為關節提供動能，通過對關節速度、位置、力進行調節，完成多自由度旋轉運動。

資料來源：觀研天下整理

人形機器人運動控制分類

類別	簡介
下肢控制	人形機器人由于采用了“類人”腿部結構，步行狀態下的運動控制系統屬于非線性和強耦合，人形機器人需保持步行穩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《基于動作捕捉技術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，其中，髖關節為 3 個自由度，分別為橫滾、俯仰和偏轉，通過 1 個虎克副和 1 個旋轉副來連接；同樣的傳動方式也作用于踝關節的 3 個自由度，每個膝關節 1 個前向自由度，通過 1 個旋轉副連接。目前人形機器人的步態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 計算進行控制優化。優化后可通過 Matlab 仿真對于控制系統的響應速度、機器人跟蹤路徑是否有改善進行驗證。
手臂控制	以一個四自由度雙臂人形機器人為例，其運動控制系統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機器人多關節控制，以肩關節作為坐標系原點，通過機器視覺確定機械臂末端姿態與需要達到的定位，再通過逆運動學算法求解得到關節變量的解析解，最后控制各關關節以“類人”姿態完成作業任務。沖擊（Jerk）為機器人運動過程中加速度的導數，代表力矩變化的快慢，沖擊會產生振動、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，在操作上需要平穩地進行抓取和抬舉物品，對于實現最小沖擊要求更高。
軌跡規劃	人形機器人要實現“類人”行為，自由度相比工業機器人更高，傳感器的應用也會明顯增加，例如需要引入視覺傳感以實現與環境交互和空間定位（用于軌跡規劃）。在工業機器人應用中，軌跡規劃的應用往往需要專業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用場景，軌跡規劃必須通過軟件進行封裝，將功能集成并設計出可視化界面，從而降低使用門檻。

資料來源：觀研天下整理

二、內資廠商行業覆蓋度較高，運動控制系統國產替代勢不可擋

運動控制系統主要由電氣系統的控制單元（控制層）、驅動單元（驅動層）以及機械系統的電機部分（執行層）共同構成?？刂茖影?PLC、IPC、PC-Based 等；在驅動和執行層可分為伺服系統與步進系統，步進系統控制簡單、成本低、可靠性高，而伺服系統定位精度高、動態響應快、穩定性好，因此更為高端。

《“十四五”智能制造發展規劃》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軟件技術水平和市場競爭力顯著提升，國內市場滿足率要分別超過 70%和 50%。

在政策鼓勵下，內資廠商在品類拓展上均進展順利，依靠“解決方案+性價比+服務”拓展客戶，打破依靠單一“性價比”的競爭模式。目前匯川、禾川、偉創等廠商均具備“伺服+變頻+PLC”三件套，其解決方案足以與外資廠商同臺競技，相對 OEM 領域的日系品牌競爭優勢更強。內資廠商行業覆蓋度較高，運動控制系統國產替代勢不可擋。

不同企業解決方案完備程度對比

地區

公司

驅動+執行層

控制層

信息層

其他

伺服

低壓變頻

高壓變頻

小型PLC

中大型PLC