機械設備-機器人硬件拆解四：智能關(guān)節(jié)的控制與驅(qū)動

證券研究報告|行業(yè)深度機械設備機器人硬件拆解四：智能關(guān)節(jié)的控制與驅(qū)動伺服系統(tǒng)：驅(qū)動器和電機是主要成本，控制芯片是核心。伺服系統(tǒng)主要任務是按控制命令的要求，對功率進行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動裝置輸出的力矩、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、編碼器、驅(qū)動器、控制器等，從成本構(gòu)成上看，驅(qū)動器成本占整個伺服系統(tǒng)成本的42%，電機的成本占比約35%，編碼器成本占比約為11%。而對于驅(qū)動器來說，主要結(jié)構(gòu)包括控制芯片、電源模塊、信號采集模塊、功率放大器、過熱保護電路和控制面板等部分，控制芯片是核心，成本占比超過50%?？刂菩酒男阅荜P(guān)系到伺服驅(qū)動器的響應速度和控制精度。此外，電源模塊主要用于向伺服電機供電，信號采集模塊用于采集電機轉(zhuǎn)子的位置、速度、加速度等運動信息，產(chǎn)生控制信號。從成本端看，伺服驅(qū)動主要成本為材料費用，其中IGBT、DSP芯片占總材料成本的50%以上。智能關(guān)節(jié)是機器人運動能力重要載體，控制算法難度大大增加。相較于傳統(tǒng)機器人，人形機器人的運動控制算法難度大大增加，主要表現(xiàn)在人形機器人有更加復雜的運動控制規(guī)劃，以及更加復雜的傳感和反饋控制。為實現(xiàn)高度復雜的運動控制，人形機器人的關(guān)節(jié)通常需要更加智能化，其伺服驅(qū)動器承擔部分運動控制功能，發(fā)揮“小腦”的作用。目前多數(shù)伺服驅(qū)動器均具有獨立的控制系統(tǒng)，內(nèi)部集成主控芯片，形成驅(qū)動控制一體化架構(gòu)。主控芯片可以實現(xiàn)比較復雜的控制算法，一般采用數(shù)字信號處理器 (DSP)、高性能單片機(MCU)、FPGA等芯片。人形機器人打開需求空間，有望迎來百億級增量市場。通常情況下，伺服電機和伺服驅(qū)動器數(shù)量為一一對應關(guān)系，而控制器可以同時控制多個伺服驅(qū)動器。從市場空間來看，以特斯拉Optimus為例，其全身具有40個關(guān)節(jié)執(zhí)行器，則需要40個驅(qū)動器與之配套，在100萬臺人形機器人銷售假設下，我們測算其配套的驅(qū)動器、控制器的市場空間分別約為80億元、45億元，合計125億元，其中驅(qū)控芯片市場空間約為6億元，人形機器人有望打開廣闊增量空間。建議關(guān)注：我們認為機器人智能關(guān)節(jié)的控制與驅(qū)動重點聚焦于驅(qū)動器和驅(qū)動器芯片兩個環(huán)節(jié)，1)建議關(guān)注國內(nèi)領先的驅(qū)動器廠商麥格米特、拓邦股份、英威騰；2)電機驅(qū)動芯片決定驅(qū)動器的響應速度和控制精度，對伺服系統(tǒng)至關(guān)重要，建議關(guān)注國內(nèi)優(yōu)質(zhì)的電機驅(qū)控芯片生產(chǎn)商峰岹科技。風險提示：制造業(yè)擴產(chǎn)不及預期、行業(yè)競爭格局加劇、假設和測算不完善。(維持)行業(yè)走勢16%0%-16%-32%2022-072022-112023-032023-07作者分析師張一鳴分析師歐陽蕤研究助理劉嘉林相關(guān)研究6-30請仔細閱讀本報告末頁聲明P.2請仔細閱讀本報告末頁聲明 二、智能關(guān)節(jié)是機器人運動能力重要載體 62.1人形機器人運動控制算法難度大大增加 62.2驅(qū)動承擔部分運動控制，芯片植入算法 82.3空間測算：驅(qū)動器為運動控制硬件中價值量占比最高的環(huán)節(jié) 9 3.1麥格米特：平臺型公司構(gòu)筑深厚壁壘 113.2拓邦股份：全球領先的智能控制方案供應商 12 3.4峰岹科技：國內(nèi)領先的電機驅(qū)動芯片供應商 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)軌跡控制弧焊機器人 6圖表9：人形機器人底層技術(shù)與關(guān)鍵硬件 7圖表10：波士頓動力Atlas翻跟頭動作體現(xiàn)了人形機器人運動控制頂尖水平 7 圖表13：特斯拉關(guān)節(jié)執(zhí)行器分布(橙色) 9 P.3請仔細閱讀本報告末頁聲明伺服系統(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(或給定值)的任意變化的自動控制系統(tǒng)。其主要任務是按控制命令的要求、對功率進行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動裝置輸出的力矩、速度和位置控制非常靈活方便。伺服系統(tǒng)最初用于國防軍工，如火炮的控制，船艦、飛機的自動駕駛，導彈發(fā)射等，后來逐漸推廣到國統(tǒng)的組成及運作流程資料來源：電子發(fā)燒友，國盛證券研究所服系統(tǒng)的分類P.4請仔細閱讀本報告末頁聲明驅(qū)動器和電機是伺服系統(tǒng)的主要成本，電子制造設備是主要應用方向。伺服系統(tǒng)的基本器用于實時測量運動的位置和速度，并且編碼器通常嵌入于伺服電機本體內(nèi)，驅(qū)動器根據(jù)控制器輸出的PWM信號，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，控制電機的速度和位置。從成本構(gòu)圖表3：一種一體化伺服電機結(jié)構(gòu)示意圖資料來源：NiMotion，國盛證券研究所圖表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，國盛證券研究所電源模塊、信號采集模塊、功率放大器、過熱保護電路和控制面板等部分。通過這些組成部分的協(xié)同工作，伺服驅(qū)動器可以實現(xiàn)對電機的高精度控制和高速響應。其中控制芯信號采集模塊用于采集電機轉(zhuǎn)子的位置、速度、加速度等運動信息，產(chǎn)生控制信號。功率放大器用于將控制信號轉(zhuǎn)換為電機的工作電壓和電流，實現(xiàn)對電機的控制。從成本端P.5請仔細閱讀本報告末頁聲明圖表6：伺服驅(qū)動器成本構(gòu)成30%板P.6請仔細閱讀本報告末頁聲明二、智能關(guān)節(jié)是機器人運動能力重要載體大大增加運動控制是機器技術(shù)的核心領域，傳統(tǒng)工業(yè)機器人有三類控制方式。機器人運動控制是指通過計算機或其他電子設備對機器人的運動進行精確控制的技術(shù)領域。其工作的基本原理是根據(jù)機器人的自由度和運動學模型，通過傳感器獲取機器人當前狀態(tài)，利用控制算法計算出機器人的運動軌跡和運動參數(shù)，然后通過執(zhí)行器(如電機和液壓裝置)實現(xiàn)機器人的運動。傳統(tǒng)工業(yè)機器人的運動控制方法包括以下幾種：2)連續(xù)軌跡控制方式(CP)。這種方式對工業(yè)機器人末端執(zhí)行器的移動軌跡有一定的精力矩信息，并根據(jù)預設的控制算法進行反饋控制，以確保機器人在操作物體時施加的力控制數(shù)控鉆床圖表8：連續(xù)軌跡控制弧焊機器人資料來源：大河立鉆機床，國盛證券研究所資料來源：KawasakiRobotics，國盛證券研究所知識，并根據(jù)自身內(nèi)部的知識庫作出相應的決策，而智能驅(qū)動關(guān)節(jié)正是智能控制的核心)執(zhí)行器——人形機器人關(guān)節(jié)，運動控制重要載體；3)驅(qū)動器、控制器——人形P.7請仔細閱讀本報告末頁聲明圖表9：人形機器人底層技術(shù)與關(guān)鍵硬件資料來源：傅利葉智能公眾號，新浪財經(jīng)頭條，國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)復雜的動作，完成各種任務。傳統(tǒng)的工業(yè)機器人或協(xié)作機器人在運動控制方面相對簡單，而人形機器人由于需要模擬人PID控制在人形機器人上的應用受限，需要發(fā)展更高級的控制算法，如模型預測控制(ModelPredictiveControl，MPC)和強化學習等。細的運動控制。傳感器在人形機器人運動控制中起到至關(guān)重要的作用。相較于傳統(tǒng)機器合要求更高的算法和技術(shù)，包括計算機視覺、傳感數(shù)據(jù)融合和人機交互等。因此，人形機器人運動控制算法的難度遠大于傳統(tǒng)機器人。圖表10：波士頓動力Atlas翻跟頭動作體現(xiàn)了人形機器人運動控制頂尖水平資料來源：澎湃，國盛證券研究所P.8請仔細閱讀本報告末頁聲明越來越多地承擔了控制功能，驅(qū)動和控制有集成化發(fā)展趨勢。當前主流的伺服驅(qū)動器由精準的運動控制：，扭矩可通過向伺服驅(qū)動監(jiān)控向伺服驅(qū)動器提供速度信息的者又將信號發(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)以實現(xiàn)扭：伺服驅(qū)動器工作原理圖資料來源：中國工控網(wǎng)，國盛證券研究所伺服驅(qū)動器集成控制功能，其主控芯片可實現(xiàn)較復雜算法?，F(xiàn)在多數(shù)伺服驅(qū)動器具有獨xP.9請仔細閱讀本報告末頁聲明峰岹科技電機驅(qū)動控制架構(gòu)器為運動控制硬件中價值量占比最高的環(huán)節(jié)Optimus驅(qū)動器與之配制圖表13：特斯拉關(guān)節(jié)執(zhí)行器分布(橙色)資料來源：特斯拉AIDAY，國盛證券研究所人形機器人有望帶來大量驅(qū)動器、控制器需求，100萬臺銷量假設下合計市場空間逾P.10P.10人形機器人控制器、驅(qū)動器及驅(qū)控芯片市場空間測算與敏感性分析價值量(元/個)人形機器人預計用量(個)單臺價值量(元)人形機器人銷量對應市場空間(億元)100萬臺500萬臺1000萬臺控制器003450045225450驅(qū)動器20040800080400800其中：驅(qū)控芯制器+驅(qū)動器合計1250062550算過程包含主觀假設，結(jié)論與實際可能存在誤差P.11請P.11公司構(gòu)筑深厚壁壘品廣泛應用于工業(yè)自動化設備、家用及商業(yè)顯示、變頻家電、智能衛(wèi)浴、新能源汽車、設備、服務器、光伏、風力發(fā)電、儲能、鋰電池包、工業(yè)微波、石油裝備等消費和工業(yè)的眾多行業(yè)。麥格米特發(fā)展歷程P.12P.12麥格米特營收及歸母凈利潤麥格米特收入結(jié)構(gòu)營業(yè)收入(億元)歸母凈利潤(億元)020182019202020212022資料來源：Wind，國盛證券研究所 %精密連接智能裝備2018資料來源：Wind，國盛證券研究所領先的智能控制方案供應商2007年在深交所掛牌上市，2016年成功收購深圳合信達控制系統(tǒng)股份有限公司。經(jīng)過公司主營業(yè)務為智能控制系統(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)務預期公司營收有望保持穩(wěn)步增長。從各個業(yè)務板塊來看，工具板塊營收逐年上漲，目前P.13P.13拓邦股份營收及歸母凈利潤拓邦股份收入結(jié)構(gòu)營業(yè)收入(億元)歸母凈利潤(億元)營收增速(%)歸母凈利潤增速(%)%0其他智能解決方案工業(yè)新能源家電工具%2019工業(yè)自動化和能源電力領域二十余年，擁有完整的研發(fā)、銷售、供應鏈和服務平臺，是行業(yè)的主流供應商之一。：英威騰發(fā)展歷程P.14請P.14100%50%0%-50%-200%-250%新能源汽車出現(xiàn)較大調(diào)整，公司對相關(guān)業(yè)務大幅計提應收賬款減值、投資減值、商譽減100%50%0%-50%-200%-250%英威騰營業(yè)收入及同比增速威騰歸母凈利潤及同比增速50營業(yè)收入(億元)營業(yè)收入增速(%)20182019202020212022%43210歸母凈利潤(億元)歸母凈利潤增速(%)20182019202020212022 資料來源：Wind，國盛證券研究所資料來源：Wind，國盛證券研究所內(nèi)領先的電機驅(qū)動芯片供應商2010公司自主研發(fā)電機控制芯片設計技術(shù)、電機設計技術(shù)、驅(qū)動架構(gòu)、傳感器技術(shù)及電機矢峰岹科技公司歷程司是專注于高性能BLDC電機驅(qū)動控制芯片的設計公司，產(chǎn)品涵蓋電機驅(qū)動控制的全部關(guān)鍵芯片，包括電機主控芯片CHVICMOSFET集成度電機主控芯片產(chǎn)品，并可提供電機驅(qū)動P.15請P.15：峰岹科技主要產(chǎn)品布局品圖示特點應用·集成電機控制內(nèi)核(ME)和通用內(nèi)核；低領，適用于各種智能控制場通信設備、工眾多下游領域C刷電機驅(qū)驅(qū)供具小、集成度高、性價比高等優(yōu)點。等多個領域。芯片驅(qū)動器系列系列驅(qū)動器系列系列護與電機件共同系統(tǒng)。低系動。電機驅(qū)動芯機驅(qū)動控制塊IPM率器緊，主要應用于吹風筒等領域峰岹科技營業(yè)收入與歸母凈利潤3210營業(yè)總收入(億元)歸母凈利潤(億元)%2020202120222023Q1資料來源：Wind，國盛證券研究所岹科技營業(yè)收入結(jié)構(gòu)%其他業(yè)務IPMMOSFETASICHVICMCU資料來源：Wind，國盛證券研究所P.16P.16提示設風險，將對測算結(jié)果造成影響。P.17請P.17免責聲明國盛證券有限責任公司(以下簡稱“本公司”)具有中國證監(jiān)會許可的證券投資咨詢業(yè)務資格。本報告僅供本公司的客戶使用。本公司不會因接收人收到本報告而視其為客戶。在任何情況下，本公司不對任何人因使用本報告中的任何內(nèi)容所引致的任何損失負任何責任。本報告的信息均來源于本公司認為可信的公開資料，但本公司及其研究人員對該等信息的準確性及完整性不作任何保證。本報告中的資料、意見及預測僅反映本公司于發(fā)布本報告當日的判斷，可能會隨時調(diào)整。在不同時期，本公司可發(fā)出與本報告所載資料、意見及推測不一致的報告。本公司不保證本報告所含信息及資料保持在最新狀態(tài)，對本報告所含信息可在不發(fā)出通知的情形下做出修改，投資者應當自行關(guān)注相應的更新或修改。本公司力求報告內(nèi)容客觀、公正，但本報告所載的資料、工具、意見、信息及推測只提供給客戶作參考之用，不構(gòu)成任何投資、法律、會計或稅務的最終操作建議,本公司不就報告中的內(nèi)容對最終操作建議做出任何擔保。本報告中所指的投資及服務可能不適合個別客戶，不構(gòu)成客戶私人咨詢建議。投資者應當充分考慮自身特定狀況，并完整理解和使用本報告內(nèi)容，不應視本報告為做出投資決策的唯一因素。投資者應注意，在法律許可的情況下，本公司及其本公司的關(guān)聯(lián)機構(gòu)可能會持有本報告中涉及的公司所發(fā)行的證券并進行交易，也可能為這些公司正在提供或爭取提供投資銀行、財務顧問和金融產(chǎn)品等各種金融服務。本報告版權(quán)歸“國盛證券有限責任公司”所有。未經(jīng)事先本公司書面授權(quán)，任何機構(gòu)或個人不得對本報告進行任何形式的發(fā)布、復制。任何機構(gòu)或個人