機器人控制器行業(yè)研究：人形機器人行動之腦全球本體廠商必爭之地

機器人控制器行業(yè)研究：人形機器人行動之腦，全球本體廠商必爭之地1.控制器：人形機器人之“大腦&小腦”1.1控制器：人形機器人核心基礎人形機器人控制器框架通常包括感知、語音交互、運動控制等層面。1）視覺感知層：由硬件傳感器，算法軟件組成，實現識別、3D建模、定位導航等功能；2）運動控制層：由觸覺傳感器、運動控制器等硬件及復雜的運動控制算法組成，對機器人的步態(tài)和操作行為進行實時控制；3）交互算法層：包括語音識別、情感識別、自然語言和文本輸出等。以UCLA的人形機器人平臺ARTEMIS為例，其控制架構包括硬件接口、仿真界面、控制器接口、安全接口，由中央處理器（CPU）來共享和存儲數據和信息。由于目前人形機器人技術方案尚未定型，技術快速迭代，控制器適合采用模塊化結構，從而便于更換組件，簡化創(chuàng)建不同控制器組合的過程。①硬件接口：包括執(zhí)行器、慣導（IMU）、傳感器等，反饋關節(jié)位置、速度、扭矩等數據信息；②仿真界面：模仿硬件接口的功能從而進行仿真環(huán)境的模擬測試；③控制器接口：讀取到內外部環(huán)境信息后，對運動控制器等發(fā)送指令；④安全接口：在檢測到任何錯誤行為時關閉機器。運動控制器是人形機器人控制架構中最重要且復雜的模塊之一。對于人類而言，人類可以結合使用不同的感官，如視覺、觸覺和聽覺等來應對環(huán)境中的不確定性，經過長時間的走路訓練，運動控制早已內化為“下意識”動作。對于機器人而言，如果機器人在不平坦地面和不確定的外部環(huán)境中進行動態(tài)運動，運動控制器需要實時調整其計劃和軌跡，并協(xié)調雙足和全身肢體的狀態(tài)。以ARTEMIS為例，其運動框架十分復雜，由運動控制器、步態(tài)調度、步態(tài)規(guī)劃、軌跡規(guī)劃器、全身控制器組成。運動控制器接收當前廣義坐標（q,q）、力矩()和接觸狀態(tài)(c)，并計算所需的前饋力矩(τ)和關節(jié)反饋。步態(tài)調度決定何時移動末端執(zhí)行器，步態(tài)規(guī)劃決定將末端執(zhí)行器移動到哪里，軌跡規(guī)劃器和全身控制器決定如何移動末端執(zhí)行器、質心和身體。1.2技術攻關關鍵環(huán)節(jié)，國家政策重點支持“大腦”和“小腦”是人形機器人產業(yè)化落地的關鍵所在，也是技術難點所在，不僅是各家人形機器人廠商競爭的關鍵點，也是目前政策層面重點支持的環(huán)節(jié)。在今年兩大工信部發(fā)布的人形機器人重磅政策中，“運動控制”均放在關鍵位置。2023年9月工信部發(fā)布《人形機器人揭榜掛帥任務榜單》中，排在核心基礎首位的技術為全身動力學控制算法。揭榜任務為：面向人形機器人高動態(tài)行走的全身控制問題，突破人形機器人多體動力學實時模型、基于全身力矩的模型預測控制、長距離離線身體姿態(tài)和落足點規(guī)劃、在線步態(tài)規(guī)劃與實時姿態(tài)跟蹤、面向仿人機器人高爆發(fā)關節(jié)伺服阻抗控制等關鍵技術。形成人形機器人高動態(tài)行走控制方法，在人形機器人實物平臺上進行實驗驗證。預期目標為：到2025年，建立人形機器人高動態(tài)行走控制算法，可支持具有雙足、雙臂、腰、髖、膝、踝等不少于28個自由度的人形仿生機構。支撐人形機器人實現平地、斜坡、臺階、非平整路面、松軟路面等環(huán)境的高動態(tài)行走，平地最大行走速度≥4km/h,最大奔跑速度≥9km/h。2023年11月，工信部聯合多部門發(fā)布《人形機器人創(chuàng)新發(fā)展指導意見》，控制器為重點突破產品。政策目標到2025年，人形機器人創(chuàng)新體系初步建立，“大腦、小腦、肢體”等一批關鍵技術取得突破。其中，“大腦”基于人工智能大模型，增強環(huán)境感知、行為控制、人機交互能力；“小腦”用于控制人形機器人運動，搭建運動控制算法庫，建立網絡控制系統(tǒng)架構?？刂破鳟a品發(fā)展目標為：面向高實時協(xié)調運動控制需求，研發(fā)具有高動態(tài)運動驅動、高速通信等功能的專用芯片，研制“感-算-控”一體化的高性能運動控制器。面向人形機器人認知與決策需求，研發(fā)具有多模態(tài)空間感知、行為規(guī)劃建模與自主學習等能力的智能芯片，提升人形機器人協(xié)調控制能力。1.3橫向對比成熟產業(yè)，底層原理殊途同歸1.3.1工業(yè)機器人vs人形：控制精度和工藝理解要求更高工業(yè)機器人控制器作為機器人的“大腦”，具有控制機械臂的工作狀態(tài)、運動軌跡、空間位置、操作順序等功能。工業(yè)機器人對控制器的基本要求包括：①控制工業(yè)機器人的位置、速度、加速度等，對連續(xù)軌跡運動的機器人還要有軌跡規(guī)劃和插補運算功能；②人機交互：工作人員使用示教器、操作面板，對機器人進行編程等；③外部感知：部分場景需要工業(yè)機器人對視覺、力覺、觸覺等有關信息進行測量感知，有時需要與其他設備交換信息和協(xié)調工作。工業(yè)機器人控制器通常是PC-Based控制，由硬件和軟件組成：①硬件：硬件由工控計算機和示教器（示教編程使用）/電腦面板（離線編程使用）組成。其中，工控計算機由PCB電路板（將電子元器件與電氣連接）、IC芯片（晶體管、電阻、電容等微電子元器件形成的集成電路）、晶體管（基于輸入電壓控制輸出電流）、電阻電容（阻礙電流，在電路中起分壓、分流、限流等作用）組成。工控計算機另外包含操作面板、通信接口、網絡接口、傳感器接口和驅動器接口等。②軟件：軟件由控制算法和二次開發(fā)（客戶定制化開發(fā)），部分工業(yè)機器人采用示教編程，工作人員通過示教器控制工控計算機；部分工業(yè)機器人需要工作人員進行離線編程，生成機器人的運行軌跡。機器人控制器架構分為集中控制、主從控制、分布控制三種類型。1）集中控制是由一臺機器人實現全部控制功能，結構簡單，成本低；但實時性差，難以拓展，可靠性低，是早期機器人的常用結構；2）主從控制是采用主、從兩級處理器實現系統(tǒng)的控制功能，主CPU實現管理、坐標變換、軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等，從CPU實現所有關節(jié)的動作控制，實時性好，適用于高精度、高速場景；但系統(tǒng)擴展性較差，維修困難；3）分布控制采用“分散控制，集中管理”思路，系統(tǒng)對總體目標和任務進行綜合協(xié)調和分配，子系統(tǒng)協(xié)調來完成控制任務；其特點為靈活性好，可靠性提高，有利于系統(tǒng)功能的并行執(zhí)行，提高效率，易于拓展，可實現智能控制；缺點為當自由度數量和算法變得復雜時，控制性能會惡化。與人形機器人控制器相比，工業(yè)機器人的區(qū)別主要在于：1）工業(yè)機器人有精度要求：工業(yè)機器人目前達到的運動控制精度在0.1mm，相比機床的控制精度微米級別有所差距，但遠高于人形機器人的要求；2）控制器算法決定運動精度，算法與工藝理解密切相關：工業(yè)機器人應用于汽車、光伏等工廠場景中，控制器需要二次編程，程序員需要深入了解工藝knowhow和客戶需求，才能不斷優(yōu)化算法，提高控制器的運動精度；人形機器人不用于精密加工，因此對工藝理解和精度要求低。3）控制的復雜度不同：工業(yè)機器人控制器控制的自由度少，傳感器數量少；人形機器人控制器主要用于控制更復雜的全身自由度以及靈巧手自由度、步態(tài)控制和全身協(xié)調控制等，需要連接的外部傳感器更多（視覺、力覺、觸覺、聽覺等），應用場景更加復雜多元化，需要引入人工智能大模型，算法和算力要求高。1.3.2掃地機器人VS人形：簡化的移動型機器人框架掃地機器人系統(tǒng)可以分為以下幾個子系統(tǒng)：傳感器、控制器、驅動電機、電池及電源管理等部分。首先，掃地機器人通過激光雷達、攝像機以及多種傳感器構建的"感知層"，將環(huán)境的信息傳遞給掃地機器人的"大腦"。導航系統(tǒng)利用這些傳感器提供的數據利用SLAM算法，通過軟件的方式進行路徑規(guī)劃，確保機器人在空間中準確定位自己的位置并構建環(huán)境地圖。地圖建立完成后，導航系統(tǒng)將其傳遞給MCU芯片。MCU芯片主要負責運動控制，根據地圖信息和路徑規(guī)劃，精確地指導掃地機器人進行清潔工作。掃地機器人作為智能化的小家電產品，控制器是核心零部件之一。目前常見的掃地機器人主要使用MCU控制器。它主要完成以下任務：①數據采集功能：MCU控制器通過向各傳感器發(fā)送選通信號，按順序與各個傳感器通信，實時完成信息數據采集。②障礙物識別與規(guī)劃：MCU根據接收到的數據信息，計算并判斷障礙物的相對位置和體積大小。結合預設規(guī)則，確定相應的避障措施，如前進、左轉、右轉、后退或調頭。③電機控制：在確定避障措施后，MCU向步進電機輸出相應的控制脈沖，確保機器人以精確的方式執(zhí)行避障動作，靈活地移動。④遠程控制和狀態(tài)調整：MCU接受來自遙控器的指令，允許用戶調整機器人的工作狀態(tài)。同時，監(jiān)測電池剩余電量，指揮智能吸塵器自動返回充電樁進行充電管理。人形機器人的控制原理與掃地機器人相似：1）掃地機器人控制器主要用來規(guī)劃路徑，避障，以及人機交互。例如：人類設定打掃范圍，以及語音指導掃地機器人進行打掃，由數字信號處理器和微控制器對執(zhí)行層（電機）進行控制和回饋外部信息。小米及TCL等掃地機器人采用意法半導體的M3微控制芯片作為路徑規(guī)劃的控制芯片。2）人形機器人控制器涵蓋運動規(guī)劃和人機交互。運動控制器接收當前廣義坐標、力矩和接觸狀態(tài)，并計算所需的前饋力矩和關節(jié)反饋，進而控制執(zhí)行器的狀態(tài)。區(qū)別在于：人形機器人控制器所需的算法實時性要求高，控制器處理能力遠高于掃地機器人。人形機器人的執(zhí)行器和傳感器數量更多，并且要求在盡可能短的時間內完成感知、決策規(guī)劃和運動控制以及反饋，對軟硬件的響應程度和配合要求較高。另外，基于軟件算法的研發(fā)及模型化執(zhí)行和操作對算力要求也很高。1.3.3汽車控制器VS人形：涉及環(huán)節(jié)更復雜，車規(guī)級要求隨著汽車電動化、智能化持續(xù)滲透，汽車控制器不斷更新迭代，從分布式向域控制、中央集中的趨勢發(fā)展。①分布式架構：分為模塊化（汽車的每個功能擁有獨立ECU）和集成化（設計開始進行功能集成），傳統(tǒng)分布式架構缺點包括算力分散無法高效利用、線束成本重量劣勢、無法支持高帶寬車內通信、后續(xù)升級維護困難等。②域控制器架構：包括集中化（域中心控制器）和域融合（跨域中心控制器，如特斯拉Model3）。集中式架構優(yōu)勢包括節(jié)約成本、降低裝配難度；提高通信效率，實現軟硬件解耦，便于整車OTA升級；集中算力，減少冗余等。③車輛集中架構：分為車載電腦和車-云計算，也是未來汽車發(fā)展的方向。以特斯拉的汽車控制器為例，其主要經歷了三次發(fā)展：1）ModelS基于功能進行域劃分，ADAS模塊橫跨動力域和底盤域；2）ModelX實現跨域的模塊化深入，使用跨域中心控制器控制整車；3）Model3打破了域的限制，實現了全車模塊化。汽車行業(yè)內的主流發(fā)展方向是五大各有一個大腦，起到中樞運算的作用，該域內所有的運算邏輯均由域控制器完成，其下面通過CAN或LIN總線連接各種傳感器和執(zhí)行器。Model3的設計思路與此并不相同，其采用了大集成的概念，即把一個區(qū)域范圍內可見到的控制器都集成在一起，融合成一個超大控制器，好處在于大大降低了單車成本。從HW2.0起，特斯拉開始采用自研智駕域控制器，FSD（完全自動駕駛）是特斯拉推出旨在實現全無人駕駛的智駕產品。其由多顆英偉達芯片構成的算力平臺，8顆1.2MP的攝像頭接入到域控當中，并與毫末波雷達信息進行融合。當前大規(guī)模部署的HW3.0，特斯拉對域控算力進行了大升級，從英偉達的算力平臺改為自研的FSD芯片和NPU，GPU算力提升了12倍，每秒可以處理的視頻幀數也提升了將近21倍?；诠δ芗蟹謪^(qū)，智能駕駛汽車電子控制系統(tǒng)分為動力域、底盤域、座艙域、自動駕駛域和車身域五域。其中，自動駕駛域是現階段承載整車個性化智能體驗的關鍵所在，也是目前車企的競爭焦點和布局重點。在現階其功能開發(fā)和實現需要涉及大量AI運算，因此對芯片所提供算力、操作系統(tǒng)底層算法要求很高；而其他域控制器涉及整車安全的部件較多，因此對功能安全等級要求更高，對芯片算力要求和功能智能化程度相對較低。自動駕駛汽車域控制器和人形機器人的控制器的結構和控制原理類似。1）自動駕駛域能夠使車輛具備多傳感器融合、定位、路徑規(guī)劃、決策控制、圖像識別、高速通訊、數據處理的能力。自動駕駛域通常需要外接多個攝像頭、毫米波雷達、激光雷達等等車載傳感器來感知周圍環(huán)境，通過傳感器數據處理及多傳感器信息融合，以及適當的工作模型制定相應的策略，進行決策與規(guī)劃。域控制器的輸入為各項傳感器的數據，所進行的算法處理涵蓋了感知、決策、控制三個層面，最終將輸出傳送至執(zhí)行機構，進行車輛的橫縱向控制。2）機器人運動控制器充當著大腦和小腦的作用，用來控制機器人的肢體行為。比如，機器人行走這一動作，需要根據感知的環(huán)境規(guī)劃出目標路徑，經由運動規(guī)劃器（LocomotionPlanner）生成參照投影，產生步伐運動行走方案，再由運動控制器轉化為機器人身上各個執(zhí)行器的扭矩、速度輸出，呈現為機器人按照運動規(guī)劃的步伐方案前進。但是汽車和人形機器人在控制精度、算法要求、接口復雜程度不同：1）自動駕駛對運作精細度、安全性等要求更高：通常車的駕駛速度遠高于人形機器人的行走或奔跑速度。2）人形機器人外部環(huán)境復雜，對算法的要求更高，更需要依賴神經網絡來解決路徑規(guī)劃和執(zhí)行的問題。車輛主要面對道路環(huán)境。3）汽車要控制的零部件數量遠多于機器人，所以采用域控制結構來進行集中管理，提高效率；但人形機器人的部件較少，且分布相對密集。1.3.4TeslaFSDvsOptimus2023年11月25日，特斯拉已經向員工推出全自動駕駛（FSD）V12版本。這一版本將實現全新的“端到端自動駕駛”技術，首次采用神經網絡進行車輛控制，包括轉向、加速和制動，摒棄了之前超過30萬行的代碼，更加依賴神經網絡，減少了對硬編碼編程的依賴。FSDV12通過將攝像頭獲取的圖像數據輸入神經網絡，使網絡能夠直接輸出車輛控制指令，如轉向、加速、制動等。這種方法更類似于人類大腦的工作方式，其中99%的決策都由神經網絡完成，不再需要高精度地圖或激光雷達。僅憑借車身攝像頭的視覺輸入，系統(tǒng)能夠進行分析和思考，輸出相應的控制策略。FSD落地的兩大技術底座為：BEV+Transformer的感知算法架構、Dojo超算系統(tǒng)。前者為FSD提供了不依賴高精地圖的感知和定位能力，后者則是支持算法快速迭代響應用戶反饋，實現高效數據閉環(huán)。1）BEV+Transfomer在特斯拉2021年的TechDay中，提出采用BEV（BatteryElectricVehicle）并結合Transformer技術進行特征級融合。該技術將車輛四周攝像頭捕捉到的畫面進行三維構建，通過Transformer提取共同特征。在無需依賴高精度地圖的情況下，實現對車輛周邊的實時構圖，并準確判斷車輛周圍物體的位置、輪廓，以及交通設施如車道線、路墩、信號燈等。2）Dojo超算系統(tǒng)特斯拉于2021年AIDay推出Dojo超算系統(tǒng)，Dojo系統(tǒng)是一個創(chuàng)新的非馮諾依曼設特斯拉在2021年的AIDay中發(fā)布了Dojo超算系統(tǒng)，這一創(chuàng)新性的非馮諾依曼設計支持并行運算。Dojo系統(tǒng)配備了豐富的網絡結構和接口，平衡了資源擴展和功耗，并提供了相應的存儲和調度結構。公司認為，超算中心對于支持FSD（FullSelf-Driving）大數據模型演進至關重要。通過充分利用Dojo系統(tǒng)的高穩(wěn)定性、高拓展性以及高并行算力特性，公司構建了更為高效的數據標注、算法迭代和模擬驗證能力，持續(xù)擴大FSD的算法領先優(yōu)勢。特斯拉可將汽車的FSD技術運用到了人形機器人上。特斯拉工程師團隊表示，從機器人概念到設計，再到生產和驗證的全過程，他們均使用車輛設計作為基礎。兩者有許多相似之處，大部分設計經驗可以從汽車延續(xù)到機器人。馬斯克曾說“汽車是四的輪子的機器人，而Optimus則可以看作是一個有四肢的機器人”。1）人形機器人的外部環(huán)境更復雜，更需要依賴神經網絡解決路徑規(guī)劃和執(zhí)行問題，FSD系統(tǒng)若整合到人形機器人系統(tǒng)中，端到端解決方案有望顯著提升人形機器人的視覺感知水平和運動規(guī)劃、控制能力；2）人形機器人的算力要求高，Dojo超算系統(tǒng)可為其提供支持。自從Optimus在2022年AIDay首次亮相以來，其視覺感知能力大幅提升，運動控制能力不斷進化迭代。根據2022AIDay展出的視頻，2022年4月，Optimus邁出第一步；2022年7月，Optimus解鎖了骨盆的應用來保持平衡；2022年8月，手臂開始發(fā)揮作用；2022年9月，腳趾開始感應，運動速度提升。隨著越來越多關節(jié)加入訓練，運動速度提升。另外，Optimus采用運動重心控制算法，對高度信息和質心判斷自身狀態(tài)，從而在行走時或者在受到一定外力沖擊的情況下保持平衡。根據特斯拉后續(xù)公布的視頻，Optimus的運動控制能力進步飛快。2023年5月，單腿實現原地跳躍，整機完整度和穩(wěn)定性提升，機器人步態(tài)、靈巧手抓取更加流暢（之前步態(tài)緩慢、手部抖動）。2023年9月，Optimus可以基于純視覺和關節(jié)位置編碼器，自我校準雙手、手臂和腿，可以在空間中精準定位四肢；機器人在視頻里實現拉伸、伸展全身、單腿站立平衡等高難度動作，姿態(tài)控制和自平衡能力躍升?？梢钥吹?，特斯拉已經打通了FSD和機器人的底層模型，依賴神經網絡模型和視覺技術，不斷優(yōu)化FSD算法，在感知環(huán)境與自主分析做出運動方面表現較好。2.工控領域：控制器發(fā)展成熟，國產替代潛力巨大2.1控制器經上百年發(fā)展，多種技術路線共進運動控制系統(tǒng)是機械設備的核心部件，其功能為實時控制機械運動部件的軌跡、位置、速度、加速度等，以確保它們按照預定的運動要求進行移動。一套完整的運動控制系統(tǒng)包括：運動控制器，驅動器、電機、傳感器等。其中，控制器利用對被控制的機械系統(tǒng)的運動學和動力學模型進行運動規(guī)劃和控制預測。同時，通過多種傳感器提供的信息進行反饋，實現閉環(huán)控制。運動控制器內部集成了邏輯控制、精確定位、軌跡控制等算法，從而完成特定的運動軌跡、位置、速度和加速度，以及精確輸出符合控制目標的指令，例如溫度、流量、壓力、位移等。運動控制系統(tǒng)伴隨著工業(yè)電氣化、自動化、智能化的過程，不斷吸收先進技術，衍生出眾多分支。早期運動控制系統(tǒng)由數字邏輯電路構成，隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，計算機軟件已取代硬件電路，進而可以實現復雜控制算法，并且可以在使用過程中通過升級來提升性能或改變用途。根據使用場景不同，運動控制系統(tǒng)分為數控系統(tǒng)（CNC）、通用運動控制器（GMC）、可編程邏輯控制器（PLC）等。①數控系統(tǒng)（CNC，ComputerNumericalControlSystem）數控系統(tǒng)是專門針對數控機床開發(fā)的運動控制系統(tǒng)，它能夠按照零件加工程序的數值信息指令進行控制，使機床完成工作運動并加工零件。根據所控制的運動軸數和聯動關系，數控系統(tǒng)被定義為M軸N聯動數控系統(tǒng)。機床的運動控制與其他設備的運動控制并不存在本質區(qū)別，因此也經常能夠見到數控系統(tǒng)用在其他自動化設備上，例如自動化裝配線等。②可編程邏輯控制器（PLC，ProgrammableLogicController）最初發(fā)明的PLC只能進行邏輯控制，所以被稱為可編程邏輯控制器，隨著計算機的發(fā)展也增加了許多新功能。PLC特點在于它主要面向邏輯控制，控制對象為IO（Digital或Analog），類型更廣泛，運動控制只是其中一個部分，因此運動控制相對較為簡單。③通用運動控制器（GMC，GeneralMotionController）通用運動控制器是不面向特定設備的運動控制器。其主要任務是根據運動控制的要求和傳感器件的信號進行必要的邏輯、數學運算，為電機或其它動力和執(zhí)行裝置提供正確的控制信號。PC-Based控制器是指基于個人電腦（PC）的控制系統(tǒng)或控制器。這種控制器通常使用個人電腦硬件和軟件來執(zhí)行各種自動化、監(jiān)控和控制任務。④專用控制器專用運動控制器是一種特定類型的控制器，設計用于實現高度定制化和特定應用的運動控制任務。與其他通用控制器相比，專用運動控制器更加專注于執(zhí)行特定的機械運動或運動控制任務。專用運動控制器在許多領域得到廣泛應用，如數控機床、激光切割控制系統(tǒng)、激光標刻控制系統(tǒng)、點膠控制系統(tǒng)等需要高度精準和可定制化運動控制的領域，由控制器廠家根據行業(yè)應用工藝需求完成應用軟件的開發(fā)，設備制造商無須二次開發(fā)即可直接使用。不同類型運動控制系統(tǒng)在持續(xù)迭代中也存在交叉之處，因此邊界往往并不清晰。例如，①原先PLC用于控制自動化程度較低的設備，但隨著紡織機械、印刷機械、包裝機械等領域的自動化需求不斷提高，PLC運動控制功能越來越強；②隨著設備的不斷創(chuàng)新，數控機床與自動化設備缺乏嚴格的界定標準；有些設備采用了GMC架構的數控系統(tǒng)，有些配置了吸收CNC功能的通用運動控制器。2.2通用控制器：靈活性、通用性強，可用于復雜控制運動控制器由硬件、固件、軟件等組成。其中硬件部分包括微處理器、存儲器、接口電路、通信接口、電源等；固件是指固化在微處理器、存儲器、可編程邏輯器件等元件中的軟件；軟件部分由實時操作系統(tǒng)、運動控制指令編譯器、運動控制參數的預處理及優(yōu)化、運動控制函數、通信管理等模塊構成。PC-Based控制器是指基于個人電腦（PC）的控制系統(tǒng)或控制器。這種控制器通常使用個人電腦硬件和軟件來執(zhí)行各種自動化、監(jiān)控和控制任務。PC-Based控制器根據具體型號可以分為插卡式，嵌入式和網絡式三類。①插卡式控制器需要插入工業(yè)計算機中才能運行，以“板卡”形態(tài)存在，通常采用高性能DSP和FPGA作為核心處理器，系統(tǒng)通用性強，可拓展性強；適用于3C電子、半導體、工業(yè)機器人、包裝等應用場景。②嵌入式控制器集成了工業(yè)計算機和插卡式控制器，對于那些需要高速運算和微秒級響應時間的應用，采用專門設計的運動控制器更為合適。這些專用處理器可以確保非?？焖俚目刂浦芷?，特別適用于對速度和精度有極高要求的高級制造領域。適用于針織機械、激光、切割、點膠機等場景，③網絡式控制器，其與伺服驅動系統(tǒng)的鏈接是采用各類工業(yè)總線形式，如Ethercat。等，應用場景包括半導體加工、激光加工設備、PCB鉆銑設備、機器人、數控機床、木工機械、印刷機械、電子加工設備和自動化生產線等。根據睿工業(yè)MIR數據，2022年中國PC-based運動控制器行業(yè)規(guī)模約為32.64億元，預計到2025年中國PC-based運動控制器行業(yè)規(guī)模約為40.2億元。PC-Based運動控制器主要應用于3C、半導體、工業(yè)機器人和機床等領域。截至2022年，PC-Based運動控制器的主要應用領域中，3C產業(yè)、半導體制造、工業(yè)機器人分別占據前三位，分別占比16%、15%和11%。PC-based控制器市場以國外成熟廠商占據市場前端，但是國產品牌滲透率較高。根據睿工業(yè)MIR數據，2022年市場前五名除去海外企業(yè)倍福占比21%，其余均為國產品牌，以研華，固高、雷賽、維宏電子為代表的國產企業(yè)占據市場35%，逐步成為PC-based運動控制器領域的重要力量。因此，在PC-based運動控制器市場，中低端市場主要以國產廠商為主，但整體技術水平與外資廠商還有一定差距，高端市場仍然受外資企業(yè)控制。2.3PLC：面向邏輯控制，編程簡單易用性高PLC硬件結構與微型計算機類似，由電源、CPU、存儲器、I/O、功能模塊、通信模塊等構成。根據按I/O點數的不同，可分為微型、小型、中型和大型。小型PLC接口點數小于256，體積更小，價格更低，但功能單一，只能實現簡單的控制系統(tǒng)。中大型PLC接口點數大于256，往往具有更強大的控制功能，可用在復雜的邏輯生產系統(tǒng)或大型生產設備的自動化控制中，但是其價格高，技術壁壘高。PLC和PC-Based控制器在項目精度和實時性等功能上存在區(qū)別，因此適用于不同的下游應用場景。1）PC-Based控制器和專用運動控制器注重復雜運動算法的控制，擁有更強的數據傳輸和管理能力，適用于連續(xù)性控制和高精尖的流程型行業(yè)。因此，這些控制器經常適用在需要高度精確和實時性的領域，如工業(yè)機器人、半導體制造和醫(yī)療設備等。這些控制器具有強大的計算能力和快速的控制周期，以確保運動和操作的高精度和高速度。2）PLC更側重于局部邏輯控制，更適用于單點控制的離散性作業(yè)。因此，在一些對精度和實時性的要求較低的應用中，例如家用電器，傳統(tǒng)制造業(yè)等，通?？梢允褂幂^簡單的PLC控制器。根據睿工業(yè)MIR數據，2022年PLC市場規(guī)模大約為170億元。具體細分為大型PLC市場規(guī)模約為85.8億元，同比增長8.8%；小型PLC市場規(guī)模約為84.1億元，同比增長5.6%。此外，根據MIR的預測，到2025年，PLC市場規(guī)模預計將增至約180億元，其中小型PLC市場規(guī)模預計將達到86.5億元，而中大型PLC市場規(guī)模預計將達到93.6億元。PLC作為工業(yè)控制的核心控制器，是整個工控系統(tǒng)的大腦，也是維護工控產業(yè)鏈安全的核心組成部分。目前PLC大陸廠商市占率依然較低。在全球市場競爭格局中，歐美廠商在中大型PLC市場具有強大的話語權，而日系和臺系廠商主要專注于中小型PLC市場。隨著自主可控性的提高，中國大陸廠商憑借產品性價比高、交期短、快速響應客戶需求的優(yōu)勢，正迅速占領中小型PLC市場份額，挑戰(zhàn)日、臺系廠商的地位。①小型PLC：小型PLC市場的準入門檻相對較低，主要應用于OEM市場，由于下游客戶對價格敏感，導致小型PLC市場同質化問題嚴重，競爭激烈。OEM市場主要以代工生產為主，通常涉及傳統(tǒng)產業(yè)的升級和新興產業(yè)的自動化。行業(yè)種類較為分散，2022年電池、紡織、包裝、電子制造分別占比7%、7%、6%、5%。小型PLC市場競爭格局相對分散，呈現一超多強的市場模式。2022年我國小型PLC市場競爭相對分散，其中TOP2占據約53%的市場。西門子的小型PLC表現強競爭力，匯川、三菱、歐姆龍分列二三四位。以匯川、新捷為主的國產品牌市場競爭力持續(xù)提升。②中大型PLC：中大型PLC市場的技術難度較高，主要應用于項目型市場。由于中大型PLC工藝復雜，主要應用于項目型市場，用戶對產品安全性和抗干擾性要求高。項目型市場指的是獨立的單一項目，通常要求滿足特定行業(yè)的極強針對性需求。在項目型PLC市場中，客戶對工業(yè)事故的容忍度較低，因此需要PLC設備與平臺之間形成強大的穩(wěn)定性。行業(yè)種類相對集中，2022年電池、冶金、石化、物流分別占比13%、10%、9%、7%。中大型PLC存在“技術+客戶+組網/排他性”等壁壘，外資品牌憑借領先的技術優(yōu)勢、完善的銷售與服務網絡占據壟斷市場地位。長期的技術積累使得設備與平臺的穩(wěn)定性成為PLC企業(yè)的核心競爭力。客戶信任成本、前期投入、PLC生態(tài)、售后服務以及使用習慣等因素共同提高了PLC客戶的遷移成本，加強了客戶的粘性，使得客戶壁壘較為顯著。2022年中大型PLC市場競爭相對集中，以西門子、歐姆龍和三菱為主導，合計占比超過85%。羅克韋爾，基恩士，施耐德占比均超過4%。西門子的中大型PLC在市場中表現最為強勢，歐姆龍和三菱的市場占比分別為14%、9%。羅克韋爾、施耐德和基恩士在中大型PLC市場中分別占有7%、4%和6%，中國企業(yè)在中大型PLC市場中競爭力不足。2.4數控系統(tǒng)(CNC)：針對數控機床開發(fā)，精度要求高數控系統(tǒng)是數控機床的“大腦”，是數控機床中技術含量極高的核心部件，占數控機床成本20%左右，一般由控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)三部分組成：1）控制系統(tǒng)硬件（數控裝置）是具有輸入輸出功能的專用計算機系統(tǒng)，發(fā)出控制指令到伺服系統(tǒng)；2）檢測系統(tǒng)可檢測機床部件運動位置、速度，并反饋到控制系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)，來修正控制指令；3）伺服系統(tǒng)將來自控制系統(tǒng)的控制指令和檢測系統(tǒng)的反饋信息進行比較和控制調節(jié)，驅動機床部件按要求運動。數控系統(tǒng)是專門針對數控機床開發(fā)的運動控制系統(tǒng)，它能夠按照零件加工程序的數值信息指令進行控制，使機床完成工作運動并加工零件。根據所控制的運動軸數和聯動關系，數控系統(tǒng)被定義為M軸N聯動數控系統(tǒng)。根據其控制機床類型不同，數控系統(tǒng)可以分為：車床系統(tǒng)、銑床系統(tǒng)、加工中心系統(tǒng)、雕刻雕銑機系統(tǒng)、切割機系統(tǒng)等。車床等加工的機械零件較為標準化，運動控制功能比較簡單。加工中心、雕刻、雕銑等數控系統(tǒng)面向復雜的空間曲面加工，有些整合了如自動換刀、網絡、機器視覺等功能，系統(tǒng)更加復雜。經濟型系統(tǒng)已基本實現國產化，國內企業(yè)正專注于中高端數控系統(tǒng)的進口替代。中國機床工具工業(yè)協(xié)會對數控系統(tǒng)按功能、水平分為三類，即經濟型數控系統(tǒng)、標準型數控系統(tǒng)和高檔型數控系統(tǒng)。其中，標準型和高檔型數控系統(tǒng)由于技術難度大，功能、性能和可靠性要求高，國內生產企業(yè)相對較少，市場份額主要集中在日本發(fā)那科、德國西門子等國際企業(yè)，國內以華中數控為代表的優(yōu)秀系統(tǒng)公司目前正專注于中高端數控系統(tǒng)的進口替代。經濟型數控系統(tǒng)技術較為成熟，國內市場份額已基本被國產品牌占據。高檔型數控系統(tǒng)關鍵在于技術水平，產品附加值極高，市場主要由德國西門子、海德漢占據。標準型數控系統(tǒng)關鍵在于產品可靠性，產品附加值較高、穩(wěn)定性高，市場主要由日本發(fā)那科、三菱占據（日本廠商基本不向我國出口高檔數控系統(tǒng)）。經濟型數控系統(tǒng)主要取決于產品價格，進入門檻較低，主要以國產品牌為主，市場競爭激烈。數控系統(tǒng)產品技術壁壘高，市場仍被海外品牌所占據，中高端系統(tǒng)國產替代空間廣闊。根據中國機床工具工業(yè)協(xié)會數控系統(tǒng)分會統(tǒng)計，在國內不同檔次的數控系統(tǒng)市場中，國產和國外品牌的占有率差異較大。根據睿工業(yè)MIR數據，按系統(tǒng)銷量計算，2022年發(fā)那科、三菱、西門子等國外品牌占有率約45%，按照數控系統(tǒng)銷售金額計算，這三家廠商合計占據我國數控系統(tǒng)市場67%的份額。以國內數控機床生產商紐威數控為例，2018-2020年公司數控系統(tǒng)進口或境外品牌的采購占比分別為99.81%、99.53%和99.88%，其中采購自發(fā)那科的占比分別82.97%、82.13%和79.85%。2.5硬軟件和集成為突破瓶頸，國產替代空間巨大從運動控制器包括硬件、軟件、定制設計和集成等，是控制器產品拉開差距的原因。1）硬件：硬件包括處理器、控制芯片、傳感器、電機驅動器和連接器等，高性能的處理器和專用的控制芯片通常價格較高，而高精度的傳感器和電機驅動器也會增加成本。2）軟件：控制器需要開發(fā)相應的控制算法和運動規(guī)劃軟件，以實現精準的運動控制和定位。軟件的開發(fā)和調試需要專業(yè)的開發(fā)人員和工具支持。3）工程設計和集成：針對專用運動控制器特定的應用需求，可能需要定制化的工程設計和集成過程，以確?？刂破鞯倪m配性和可靠性。（1）硬件差距主要在于芯片芯片是影響工控系統(tǒng)性能和未來發(fā)展最為關鍵的零部件。目前DCS、SIS、PLC所應用的關鍵MCU芯片、工業(yè)總線芯片、高精度傳感器、工業(yè)級模擬芯片等主要來自進口。常規(guī)系統(tǒng)國產芯片用量占比不足30%。美國近年來以芯片為武器，對我國采取一系列不斷升級的限制措施。由于工控系統(tǒng)所用芯片基本采用成熟工藝，較少采用先進工藝，目前看來對工控系統(tǒng)供應鏈的穩(wěn)定影響并不大，但斷供的潛在風險非常大。而且，對先進制程的限制將會限制未來工控系統(tǒng)的技術進步。當前工控系統(tǒng)使用國產芯片存在的主要問題有：產品種類少、部分關鍵品類缺失；國內廠商設計、工藝能力相對較弱，針對工控行業(yè)客戶的應用經驗少，客戶群體少，和行業(yè)應用場景匹配性比較差，在降額設計、材料應用測試等方面的不足都會影響產品細節(jié)參數；前期器件驗證通過后，后面批量產品質量一致性差等。在芯片方面，西門子、施耐德、羅克韋爾的PLC均采用定制SoC芯片替代主控制模塊和IO模塊的通用CPU芯片。在足夠大的產品數量條件下，定制SoC芯片方案相比分立芯片方案的BOM成本有較大的下降，且體積小，功耗低，抗干擾強，性能高。國產PLC由于產量小，開發(fā)投入有限，無力定制SoC芯片。（2）軟件差距較大：主要在于精度和通用性運動控制器軟件性能包括控制器算法和二次開發(fā)平臺的易用性。1）控制器的算法水平對運動精度產生直接影響。算法水平的高低又受到對客戶工藝的理解、并且需要時間和項目經驗的積累，形成應用-反饋-迭代的閉環(huán)，外資具有先發(fā)優(yōu)勢，在控制器算法方面的優(yōu)勢相對難以撼動。2）控制器通常采用封閉結構，導致了開放性、軟件獨立性、容錯性、擴展性和網絡功能等方面的不足，難以滿足智能化和柔性化的需求。不同的工業(yè)機器人公司通常擁有自己獨立的軟件開發(fā)環(huán)境和專用的機器人編程語言，如ABB的RAPID、庫卡的KRL、安川的INFORM、川崎的AS以及發(fā)那科的Karel等。因為不同制造商采用不同的軟件系統(tǒng)，再加上國內制造商在機器人控制器軟件技術方面的優(yōu)勢尚不明顯，所以國內工業(yè)機器人控制器在市場上尚未廣泛應用。3）易用性：國外PLC大廠大多采用實時多任務操作系統(tǒng)和實時控制軟件，可以實現單次、周期、連續(xù)運行、中斷等多種PLC運行模式和多任務控制，組態(tài)軟件提供與SCADA、MES等系統(tǒng)的一體化設計能力和工具，可以實現一次編程處處可用，降低了智能工廠工程實施工作量。國產PLC大多采用通用嵌入式操作系統(tǒng)，多任務性能差，任務執(zhí)行周期不穩(wěn)定，不能滿足高速多軸聯動控制、高速生產線等復雜機器控制要求，組態(tài)軟件與第三方系統(tǒng)集成工作量偏大，且操作方式復雜，易用性差。（3）國內廠商使用的網絡協(xié)議不足以進入高端市場網絡協(xié)議方面，國外產品大多自主研發(fā)工業(yè)實時以太網協(xié)議，且一般只將常規(guī)協(xié)議部分形成IEC國際標準或開源部分代碼，而用于復雜控制應用的協(xié)議部分和代碼不公開。國內廠家由于網絡研發(fā)能力不足，大多直接使用IEC標準和開源代碼，經常在復雜控制應用時發(fā)現不夠用，難以進入高端市場。通用控制器市場國產替代潛力大。外資品牌通常定位于高端市場，隨著近年來國內品牌的不斷發(fā)展，也取得了一定的突破。1）PLC控制器市場，以匯川等國內企業(yè)逐步擴大銷售規(guī)模。2）PC-Based控制器市場，國內品牌公司，如固高科技、雷賽智能、成都樂創(chuàng)、眾為興等，已經占據了市場份額的70%以上?！丁笆奈濉敝悄苤圃彀l(fā)展規(guī)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(yè)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%，未來運動控制市場有望保持高增長。3.重點環(huán)節(jié)及公司梳理3.1工業(yè)領域控制器3.1.1通用控制器（一）固高科技：運動控制核心部件類、系統(tǒng)類、整機類全產品體系覆蓋公司以運動控制技術為核心，形成運動控制核心部件類、系統(tǒng)類、整機類的產品體系。其中，核心部件類是公司自成立以來的業(yè)務根基和主要收入來源；系統(tǒng)類、整機類產品是公司聚焦特定應用場合、立足解決特殊產業(yè)痛點而實施的垂直整合戰(zhàn)略，是未來重點布局業(yè)務。公司長期專注于運動控制及智能制造核心技術的自主研發(fā)，技術、產品和系統(tǒng)解決方案廣泛應用于半導體裝備、工業(yè)機器人、數控機床、3C自動化與檢測裝備、印刷包裝設備、紡織裝備等高端裝備制造領域。公司服務的客戶包括大族激光、博眾精工、新益昌、聯贏激光、阿達智能、南通振康、廣東科杰、亞威股份、慈星股份等國內高端裝備制造行業(yè)企業(yè)等。（二）雷賽智能：運動控制核心部件及解決方案供應商公司是一家專注于為智能制造裝備業(yè)提供運動控制核心部件及行業(yè)運動控制解決方案的高新技術企業(yè)。公司主要從事運動控制核心部件控制器、驅動器、電機的研發(fā)、生產和銷售，以及相關行業(yè)應用系統(tǒng)的研究與開發(fā)，為客戶提供完整的運動控制系列產品及解決方案。公司的運動控制系列產品下游應用廣泛，已在電子制造裝備、特種機床、工業(yè)機器人、噴繪印刷裝備、醫(yī)療健康設備、紡織服裝裝備、物流裝備等設備制造行業(yè)得到廣泛應用。（三）埃斯頓：自研工業(yè)機器人核心部件控制器公司的業(yè)務分為兩大部分，包括工業(yè)機器人和核心零部件。1）機器人業(yè)務：這一部分包括機器人本體和集成解決方案。公司的工業(yè)機器人本體涵蓋了從3-600kg的全系列產品，廣泛應用于折彎、弧焊、搬運、碼垛等各種場景。機器人本體業(yè)務得益于新能源產業(yè)的迅速崛起，因為這些產業(yè)帶來了大量的自動化需求。2）核心零部件：這一部分包括數控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)。數控系統(tǒng)主要用于金屬成形機床，而伺服系統(tǒng)和運動控制器則主要應用于機器人、3C（計算機、通信、消費電子）、鋰電池、光伏等多個行業(yè)。（四）新時達：電梯控制系統(tǒng)領域巨頭，積極布局機器人全產業(yè)鏈公司成立于1995年，從傳統(tǒng)的電梯控制領域廠商到現階段的“電梯+機器人”雙賽道布局。公司2014年收購眾為興，該公司是一家國內領先的專業(yè)為新興應用領域自動化機器設備提供高性能運動控制系統(tǒng)整體解決方案的供應商，業(yè)務包括運動控制綜合解決方案的設計、產品研制、系統(tǒng)實施與技術服務。目前公司主要業(yè)務分為兩個板塊：1）電梯控制器業(yè)務：主要分為電梯控制器、電梯控制系統(tǒng)兩部分；2）機器人業(yè)務：工業(yè)機器人產品主要有關節(jié)型機器人與SCARA機器人兩大品類。廣泛應用于3C、新能源、白電、包裝、食品飲料、醫(yī)藥、金屬加工等各個行業(yè)，并且在各細分領域積累了豐富的應用經驗；控制與驅動產品主要包括控制器、伺服驅動器和變頻器?？刂飘a品涵蓋從控制卡到PAC的低中高端產品，滿足不同客戶的不同需要。伺服驅動主要產品為?6系列。3.1.2激光設備控制器（一）柏楚電子：主營激光切割控制系統(tǒng)，智能焊接機器人打開成長空間當前核公司心業(yè)務為激光切割運動控制系統(tǒng)。公司以激光切割運控系統(tǒng)業(yè)務為核心，發(fā)展了包括隨動控制系統(tǒng)、板卡控制系統(tǒng)、總線控制系統(tǒng)在內的三大主要產品，其中，隨動系統(tǒng)和部分板卡系統(tǒng)主要應用于中低功率激光切割機；總線系統(tǒng)和少部分板卡系統(tǒng)應用于高功率激光切割機。此外，公司其他產品還包括高精度視覺定位系統(tǒng)、I/O擴展模塊、軸擴展模塊、管材套料軟件、平面套料軟件等。公司針對智能焊接機器人推出的焊接系統(tǒng)，可實現自動、非標焊接，實現機器替人。智能焊接機器人具備免示教功能，專注于鋼結構等非標工件的焊接。焊接機器人分為示教焊接機器人和智能焊接機器人兩類。示教焊接機器人主要需要人工示教來編輯焊縫的加工路徑，由于非標準化操作的示教過程耗時較長，因此示教焊接機器人大多應用于重復、標準化的加工中；而智能焊接機器人通過智能焊接離線編程軟件、智能焊縫跟蹤系統(tǒng)、智能焊接控制系統(tǒng)來生成焊縫加工路徑，可以實現免示教功能，縮短調試周期，進一步提升智能焊接機器人的自動化程度，更適合小批量非標工件的柔性加工過程。（二）維宏股份：深耕運動控制領域，運動控制卡及一體化控制器維宏股份深耕運動控制領域，運動控制器業(yè)務包括運動控制卡和一體化運動控制器。具體產品主要為雕刻雕銑控制系統(tǒng)、切割控制系統(tǒng)、機械手控制系統(tǒng)，可應用于各類雕刻機、雕銑機、加工中心、水射流切割機、激光切割機、等離子切割機、火焰切割機、木工機床、玻璃加工機床、工業(yè)機械手等。其中，1）運動控制卡數數控軟件的底層控制算法的載體以及硬件接口，需要整機廠商配備PC機，可以使用PC機上安裝的CAD/CAM等其他軟件，靈活性較高；2）一體化控制器集成了運動控制卡、CPU主板、顯示器、專業(yè)操作面板的呢過，試用方便，無需自行組合；但價格較貴，整機廠商無法對工業(yè)PC機配置的型號進行自由選擇。3.1.3機床數控系統(tǒng)華中數控：聚集中高端數控系統(tǒng)，稀缺的機床大腦華中數控聚焦中高檔數控系統(tǒng)。華中數控成立于1994年，主要從事國產中、高檔數控系統(tǒng)研究和生產。公司以數控系統(tǒng)技術為核心，以機床數控系統(tǒng)、工業(yè)機器人與智能產線、新能源汽車配套為三個主要業(yè)務板塊。1）數控系統(tǒng)及機床：公司專注中、高端數控系統(tǒng)，主要向數控機床廠商銷售數控系統(tǒng)和配件，配套相應廠商的高速鉆攻中心、加工中心、五軸機床等機型產品。2）機器人與智能產線：公司自制機器人產品核心的控制和伺服零部件，完成機器人本體的組裝，并向消費電子、家電等行業(yè)的制造商或者教育院?？蛻翡N售，同時提供定制化服務。3）新能源汽車配套：圍繞汽車電動化、輕量化、智能化開展技術研究和產品開發(fā)，具體產品包括新能源汽車伺服電機、新能源汽車驅動器、新能源汽車控制器、輕量化車身等。3.1.4PLC（一）匯川技術：PLC產品為重點突破產品線之一公司成立于2010年，是專門從事工業(yè)自動化和新能源相關產品研發(fā)、生產和銷售的高新技術企業(yè)。經過十多年的發(fā)展，公司已經從單一的變頻器供應商發(fā)展成機電液綜合產品及解決方案供應商。目前公司形成了以通用自動化、智慧電梯、新能源汽車、軌道交通、工業(yè)機器人五大業(yè)務板塊，為自動化設備/自動化產線提供變頻器、伺服系統(tǒng)、PLC/HMI、高性能電機、傳感器、機器視覺、氣動元件等工業(yè)自動化核心部件及解決方案，為電梯行業(yè)提供電梯電氣大配套解決方案，為新能源汽車行業(yè)提供電驅&電源系統(tǒng)，為軌道交通行業(yè)提供牽引與控制系統(tǒng)，為自動化產線/車間/工廠提供工業(yè)機器人產品及解決方案。（二）信捷電氣：較早布局PLC領域，初步完善工控產品線公司主營工業(yè)自動化控制產品，主要產品包括：1）工業(yè)智能控制系統(tǒng)中電氣控制系統(tǒng)，包括編程控制器（PLC）、驅動系統(tǒng)（伺服驅動器、伺服電機、步進驅動器、變頻器）、人機界面（HMI）、智能裝備等；2）電氣控制集成應用，為工廠自動化（FA）領域客戶提供“整體工控自動化解決方案”。主要客戶分布在紡織服裝、印刷包裝、家居建材、食品飲料、汽車和新能源、機床工具、信息化、倉儲物流等行業(yè)。公司在PLC領域較早，成立至今公司陸續(xù)推出了XA系列、XS系列、XC系列、XD系列（含XD3、XD5、XDM運動控制型、XDC運動控制總線型、XD5E以太網型以及XDHEtherCAT運動控制型）、XE系列、RC系列、XL系列、XG系列