電子-人形機(jī)器人專題-平衡控制正式版

證券研究報(bào)告|行業(yè)專題|電子電子報(bào)告日期：2023

年

12

月

25

日人形機(jī)器人專題—平衡控制——行業(yè)專題報(bào)告投資要點(diǎn)行業(yè)評級:看好(維持)

平衡穩(wěn)定是人形機(jī)器人的基礎(chǔ)和難點(diǎn)分析師：蔣高振執(zhí)業(yè)證書號：S1230520050002jianggaozhen@人形機(jī)器人的雙足移動方式在復(fù)雜環(huán)境下優(yōu)于其他運(yùn)動方式（輪式移動、履帶式移動等）的一個(gè)重要原因是它更加通用靈活,能夠?qū)崿F(xiàn)上下樓梯、跨越障礙、在不平整地面行走等動作，使其能夠適應(yīng)多種應(yīng)用場景，如特種服務(wù)領(lǐng)域面向惡劣條件、復(fù)雜地形作業(yè)，以及民生服務(wù)領(lǐng)域的家政、理療護(hù)理等。人形機(jī)器人的雙足形式一方面能夠滿足復(fù)雜地形的行動要求，使機(jī)器人具備在多種環(huán)境下工作的能力，另一方面也由于高維、非線性、欠驅(qū)動等特點(diǎn)，給機(jī)器人的平衡穩(wěn)定控制帶來較大的技術(shù)難度。雙足機(jī)器人的關(guān)節(jié)自由度一般高于常見的六自由度工業(yè)機(jī)器人，動力學(xué)模型非常復(fù)雜，包含了連續(xù)變量動態(tài)系統(tǒng)、離散事件動態(tài)系統(tǒng)以及兩者相互作用的混雜系統(tǒng)，因此，控制雙足機(jī)器人姿態(tài)穩(wěn)定是該領(lǐng)域的難點(diǎn)之一。研究助理：陳穎chenying01@研究助理：陳詩含chenshihan@相關(guān)報(bào)告1《美光業(yè)績指引樂觀，存儲板

慣性測量單元可用于機(jī)器人平衡穩(wěn)控塊盈利趨勢上行》2023.12.24為了實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人姿態(tài)的控制，通常做法是在機(jī)器人軀干部位安裝多種慣性測量單元（InertialMeasurementUnit,IMU），并且在足底安裝多個(gè)壓力傳感器，通過采集各種傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)得到機(jī)器人的整體姿態(tài)信息，然后利用平衡控制算法來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人靜態(tài)和動態(tài)的平衡穩(wěn)定。一個(gè)IMU通常包含三個(gè)軸向的陀螺和三個(gè)軸向的加速度計(jì)，以測量物體在三維空間中的角速率和加速度。實(shí)際應(yīng)用中，可采用IMU或者分立的陀螺儀與加速度計(jì)作為姿態(tài)校正檢測單元。2《【消電創(chuàng)新】蘋果VisionPro發(fā)售在即，繼續(xù)重視MR創(chuàng)新鏈》2023.12.183《國內(nèi)新能源車月產(chǎn)銷量首超百萬，L3智能駕駛加速上路》2023.12.17慣性傳感器市場份額集中，替代空間大根據(jù)Yole發(fā)布的StatusofMEMSIndustry2022，2021年世界MEMS慣性傳感器市場規(guī)模約35.09億美元。其中，2021年MEMS陀螺儀和MEMS加速度計(jì)市場規(guī)模達(dá)到15.93億美元，占全球MEMS行業(yè)總市場規(guī)模的45.40%。根據(jù)頭豹研究院公司發(fā)布的《2022年中國MEMS傳感器行業(yè)概覽》，2021年中國MEMS慣性傳感器市場規(guī)模約136.00億元。世界MEMS慣性產(chǎn)品市場份額集中在Honeywell、ADI、NorthropGrumman/Litef等海外行業(yè)巨頭手中，市場份額前三的公司合計(jì)占有50%以上的份額。國產(chǎn)廠商目前市場份額占比較少，替代空間廣闊。

相關(guān)企業(yè)芯動聯(lián)科；美泰電子；華依科技；敏芯股份。風(fēng)險(xiǎn)提示技術(shù)進(jìn)展不及預(yù)期；需求不及預(yù)期；技術(shù)方案被替代。1/9請務(wù)必閱讀正文之后的免責(zé)條款部分行業(yè)專題正文目錄1平衡穩(wěn)定是人形機(jī)器人應(yīng)用的基礎(chǔ)

...........................................................................................................42慣性測量單元用于機(jī)器人平衡穩(wěn)控

...........................................................................................................52.1慣性傳感器.........................................................................................................................................................................62.2相關(guān)供應(yīng)商.........................................................................................................................................................................73風(fēng)險(xiǎn)提示

.......................................................................................................................................................82/9請務(wù)必閱讀正文之后的免責(zé)條款部分行業(yè)專題圖表目錄圖1：

人形機(jī)器人在各種場景下保持穩(wěn)定....................................................................................................................................4圖2：

人形機(jī)器人姿態(tài)穩(wěn)定控制....................................................................................................................................................5圖3：

人形機(jī)器人基于慣性測量單元的穩(wěn)定控制結(jié)構(gòu)................................................................................................................5圖4：

全球MEMS慣性傳感器市場規(guī)模（單位：億美元）....................................................................................................6圖5：

中國MEMS慣性傳感器市場規(guī)模（單位：億元）........................................................................................................7圖6：2021年全球MEMS慣性傳感器競爭格局.........................................................................................................................7表1：MEMS慣性傳感器應(yīng)用領(lǐng)域...............................................................................................................................................63/9請務(wù)必閱讀正文之后的免責(zé)條款部分行業(yè)專題1平衡穩(wěn)定是人形機(jī)器人應(yīng)用的基礎(chǔ)平衡穩(wěn)定是人形機(jī)器人開展多種實(shí)際工作的基礎(chǔ)。人形機(jī)器人的雙足移動方式在復(fù)雜環(huán)境下優(yōu)于其他運(yùn)動方式（輪式移動、履帶式移動等）的一個(gè)重要原因是它更加通用靈活,能夠?qū)崿F(xiàn)上下樓梯、跨越障礙、在不平整地面行走等動作，使其能夠適應(yīng)多種應(yīng)用場景，如特種服務(wù)領(lǐng)域面向惡劣條件、復(fù)雜地形作業(yè)，以及民生服務(wù)領(lǐng)域的家政、理療護(hù)理等。人工智能技術(shù)的快速發(fā)展使人形機(jī)器人理解并執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)成為可能，將進(jìn)一步推動人形機(jī)器人在各種應(yīng)用場景下落地。平衡穩(wěn)定是人形機(jī)器人開展多種實(shí)際工作的基礎(chǔ)。平衡控制能夠提高機(jī)器人在行動過程中的穩(wěn)定性、穩(wěn)健性及環(huán)境自我適應(yīng)能力。圖1：

人形機(jī)器人在各種場景下保持穩(wěn)定資料來源：優(yōu)必選公告，IEEE，浙商證券研究所控制雙足機(jī)器人姿態(tài)穩(wěn)定是該領(lǐng)域的難點(diǎn)。人形機(jī)器人的雙足形式一方面能夠滿足復(fù)雜地形的行動要求，使機(jī)器人具備在多種環(huán)境下工作的能力，另一方面也由于高維、非線性、欠驅(qū)動等特點(diǎn)，給機(jī)器人的平衡穩(wěn)定控制帶來較大的技術(shù)難度。雙足機(jī)器人的關(guān)節(jié)自由度一般高于常見的六自由度工業(yè)機(jī)器人，動力學(xué)模型非常復(fù)雜，包含了連續(xù)變量動態(tài)系統(tǒng)、離散事件動態(tài)系統(tǒng)以及兩者相互作用的混雜系統(tǒng)，因此，控制雙足機(jī)器人姿態(tài)穩(wěn)定是該領(lǐng)域的難點(diǎn)之一。姿態(tài)穩(wěn)定要求人形機(jī)器人具備各項(xiàng)穩(wěn)定控制能力，包括傾倒恢復(fù)能力（受到外力影響時(shí)，人形機(jī)器人可在移動過程中糾正步伐頻率及落腳點(diǎn)，使其在受到外力干擾時(shí)可以快速恢復(fù)并保持平衡）、單腿平衡能力（人形機(jī)器人即使單腿站立也不會被輕易推倒，具備穩(wěn)定性且能完成一系列不同的動作）、動態(tài)平衡能力（人形機(jī)器人能夠在不穩(wěn)定的地面及坡地上保持平衡）等。4/9請務(wù)必閱讀正文之后的免責(zé)條款部分行業(yè)專題圖2：

人形機(jī)器人姿態(tài)穩(wěn)定控制資料來源：優(yōu)必選公告，浙商證券研究所2慣性測量單元用于機(jī)器人平衡穩(wěn)控慣性測量單元可用于機(jī)器人平衡穩(wěn)控。在雙足機(jī)器人行走過程當(dāng)中，行走姿態(tài)會受到不平整地面或外力的影響導(dǎo)致軀干處于非平衡狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人姿態(tài)的控制，通常做法是在機(jī)器人軀干部位安裝多種慣性測量單元（InertialMeasurementUnit,IMU），并且在足底安裝多個(gè)壓力傳感器，通過采集各種傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)得到機(jī)器人的整體姿態(tài)信息，然后利用平衡控制算法來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人靜態(tài)和動態(tài)的平衡穩(wěn)定。獲取機(jī)器人姿態(tài)信息普遍采用的方法是通過對機(jī)器人角度和角速度進(jìn)行測量，根據(jù)數(shù)據(jù)波動的大小，采取一定的調(diào)整措施。慣性測量單元IMU是測量物體三軸姿態(tài)角（或角速率）及加速度的裝置。一個(gè)IMU通常包含三個(gè)軸向的陀螺和三個(gè)軸向的加速度計(jì)，以測量物體在三維空間中的角速率和加速度。實(shí)際應(yīng)用中，可采用IMU或者分立的陀螺儀與加速度計(jì)作為姿態(tài)校正檢測單元。圖3：

人形機(jī)器人基于慣性測量單元的穩(wěn)定控制結(jié)構(gòu)資料來源：優(yōu)必選官網(wǎng)，LearningFullBodyPushRecoveryControlforSmallHumanoidRobots，浙商證券研究所5/9請務(wù)必閱讀正文之后的免責(zé)條款部分行業(yè)專題2.1慣性傳感器陀螺儀和加速度計(jì)經(jīng)過多年發(fā)展，具有多種技術(shù)路徑。近年來，隨著微機(jī)械電子系統(tǒng)（MEMS）等學(xué)科的興起，MEMS陀螺儀及MEMS加速度計(jì)開始出現(xiàn)。MEMS陀螺儀具備小型化、高集成、低成本的特點(diǎn)，因此，雖然其精度較傳統(tǒng)陀螺儀低，但仍具有廣闊的應(yīng)用場景。MEMS加速度計(jì)可以分為電容式、壓電式、熱感式、諧振式等。

其中，電容式MEMS加速度計(jì)因其檢測精度高、受溫度影響小、功耗低、寬動態(tài)范圍、以及可以測量靜態(tài)加速度等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最多的類型。目前MEMS慣性傳感器已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)與通信、高可靠、汽車電子、醫(yī)療健康、消費(fèi)電子等多個(gè)領(lǐng)域。隨著MEMS慣性技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，高性能MEMS慣性傳感器應(yīng)用逐漸拓展到無人系統(tǒng)、自動駕駛、高端工業(yè)、高可靠等領(lǐng)域，而中低性能MEMS慣性傳感器主要應(yīng)用于消費(fèi)電子和汽車等領(lǐng)域。表1：

MEMS慣性傳感器應(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)域應(yīng)用無人系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人、石油勘探、測量測繪、高速鐵路、精密農(nóng)業(yè)、工程機(jī)械、尋北儀、光電吊艙、動中通、天線姿態(tài)監(jiān)測、光伏跟蹤系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、振動監(jiān)測等衛(wèi)星姿態(tài)控制、航姿備份系統(tǒng)等工業(yè)與通信高可靠安全氣囊、車身穩(wěn)定系統(tǒng)、TPMS

胎壓傳感器、GPS

輔助導(dǎo)航、自動駕駛高精定位等汽車電子健康監(jiān)測設(shè)備、植入式心臟起搏器、手術(shù)機(jī)器人、康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備等醫(yī)療健康消費(fèi)電子智能手機(jī)、平板電腦、游戲機(jī)、智能手表、智能手環(huán)、TWS

耳機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、智能玩具等資料來源：芯動聯(lián)科招股書，浙商證券研究所根據(jù)Yole發(fā)布的StatusofMEMSIndustry2022，2021年世界MEMS慣性傳感器市場規(guī)模約35.09億美元。其中，2021年MEMS陀螺儀和MEMS加速度計(jì)市場規(guī)模達(dá)到15.93億美元，占全球MEMS行業(yè)總市場規(guī)模的45.40%。根據(jù)頭豹研究院公司發(fā)布的《2022年中國MEMS傳感器行業(yè)概覽》，2021年中國MEMS慣性傳感器市場規(guī)模約136.00億元。圖4：

全球MEMS慣性傳感器市場規(guī)模（單位：億美元）資料來源：YoleIntelligence、StatusofMEMSIndustry2022、浙商證券研究所6/9請務(wù)必閱讀正文之后的免責(zé)條款部分行業(yè)專題圖5：

中國MEMS慣性傳感器市場規(guī)模（單位：億元）資料來源：頭豹研究院、浙商證券研究所世界MEMS慣性產(chǎn)品市場份額集中在Honeywell、ADI、NorthropGrumman/Litef等海外行業(yè)巨頭手中，市場份額前三的公司合計(jì)占有50%以上的份額。依據(jù)Yole，2021年Honeywell的MEMS慣性傳感器實(shí)現(xiàn)收入約15.38億元，市場份額達(dá)到34%，位居第一。國產(chǎn)廠商目前市場份額占比較少，替代空間廣闊。圖6：2021年全球MEMS慣性傳感器競爭格局34%45%13%8%HoneywellAnalogDevicesNorthropGrumman/Litef其他資料來源：Yole，浙商證券研究所2.2相關(guān)供應(yīng)商芯動聯(lián)科：公司主要產(chǎn)品為高性能MEMS慣性傳感器，包括MEMS陀螺儀及MEMS加速度計(jì)。公司高性能MEMS慣性傳感器的核心性能指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平，復(fù)雜環(huán)境下適應(yīng)性強(qiáng)，在無人系統(tǒng)、信息通訊、自動駕駛、石油勘探、高速鐵路、測量測繪等場景應(yīng)用廣泛。公司高性能MEMS陀螺儀具有小型化、高集成、低成本的優(yōu)勢，有力推動了MEMS陀螺儀在高性能慣性領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。美泰電子：公司專門致力于MEMS器件與系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，是國內(nèi)知名MEMS核心芯片、器件和系統(tǒng)產(chǎn)品供應(yīng)商。優(yōu)勢產(chǎn)品包括MEMS慣性器件與系統(tǒng)、7/9請務(wù)必閱讀正文之后的免責(zé)條款部分行業(yè)專題MEMS傳感器、汽車傳感器、壓力傳感器、射頻MEMS器件等，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于航空航天、高鐵、汽車、自動駕駛、通信、地震監(jiān)測、物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、智能家電等領(lǐng)域。華依科技：公司是國內(nèi)汽車測試行業(yè)龍頭和領(lǐng)先的智駕感知定位解決方案提供商，專注于為數(shù)字化定義汽車與人工智能的深度融合提供研發(fā)測試服務(wù)、品質(zhì)保障高端裝備和智駕服務(wù)及核心產(chǎn)品。公司在2018年成立智能駕駛事業(yè)部，開展智能駕駛核心零部件的前期研發(fā)布局。公司IMU產(chǎn)品精度保持行業(yè)領(lǐng)先，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層產(chǎn)品的率先落地。敏芯股份：公司是一家專業(yè)從事微電子機(jī)械系統(tǒng)傳感器研發(fā)設(shè)計(jì)的高新技術(shù)企業(yè)。公司主要從事MEMS傳感器的研發(fā)與銷售，實(shí)現(xiàn)了MEMS傳感器全生產(chǎn)環(huán)節(jié)的國產(chǎn)化。公司目前主要產(chǎn)品線包括MEMS麥克風(fēng)、MEMS壓力傳感器和MEMS慣性傳感器，應(yīng)用場景涵蓋了消費(fèi)電子、醫(yī)療、工業(yè)控制以及汽車電子等領(lǐng)域。3風(fēng)險(xiǎn)提示（一）技術(shù)進(jìn)展不及預(yù)期人形機(jī)器人集成人工智能、高端制造、新材料等先進(jìn)技術(shù)，涉及眾多不同領(lǐng)域，復(fù)雜度高，開發(fā)難度較大。如果未來研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化過程中某一環(huán)節(jié)遇到瓶頸無法快速突破，將會造成人形機(jī)器人整體進(jìn)展不及預(yù)期的風(fēng)險(xiǎn)，對于其他各環(huán)節(jié)均會造成不利影響。（二）需求不及預(yù)期一方面，經(jīng)濟(jì)不景氣或周期性波動可能導(dǎo)致市場需求下降，從而帶來人形機(jī)器人產(chǎn)品銷售困難；另一方面，人形機(jī)器人目前成本較高，如果不能有效降本，將會阻礙人形機(jī)器人實(shí)際場景落地，降低人形機(jī)器人產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性及用戶購買意愿。對于相關(guān)組件發(fā)展造成不利影響。（三）技術(shù)方案被替代人形機(jī)器人發(fā)展尚處早期階段，技術(shù)方案仍未定型。倘若在技術(shù)發(fā)展過程中出現(xiàn)比使用IMU及慣性傳感器更具性價(jià)比的機(jī)器人平衡方案，則有可能取代基于慣性測量的方案，對于慣性傳感器在人形機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展造成不利影響。8/9請務(wù)必閱讀正文之后的免責(zé)條款部分行業(yè)專題股票投資評級說明以報(bào)告日后的6個(gè)月內(nèi)，證券相對于滬深300指數(shù)的漲跌幅為標(biāo)準(zhǔn)，定義如下：1.買入：相對于滬深300指數(shù)表現(xiàn)＋20％以上；2.增持：相對于滬深300指數(shù)表現(xiàn)＋10％～＋20％；3.中性：相對于滬深300指數(shù)表現(xiàn)－10％～＋10％之間波動；4.減持：相對于滬深300指數(shù)表現(xiàn)－10％以下。行業(yè)的投資評級：以報(bào)告日后的6個(gè)月內(nèi)，行業(yè)指數(shù)相對于滬深300指數(shù)的漲跌幅為標(biāo)準(zhǔn)，定義如下：1.看好：行業(yè)指數(shù)相對于滬深300指數(shù)表現(xiàn)＋10%以上；2.中性：行業(yè)指數(shù)相對于滬深300指數(shù)表現(xiàn)－10%～＋10%以上；3.看淡：行業(yè)指數(shù)相對于滬深300指數(shù)表現(xiàn)－10%以下。我們在此提醒您，不同證券研究機(jī)構(gòu)采用不同的評級術(shù)語及評級標(biāo)準(zhǔn)。我們采用的是相對評級體系，表示投資的相對比重。建議：投資者買入或者賣出證券的決定取決于個(gè)人的實(shí)際情況，比如當(dāng)前的持倉結(jié)構(gòu)以及其他需要考慮的因素。投資者不應(yīng)僅僅依靠投資評級來推斷結(jié)論。法律聲明及風(fēng)險(xiǎn)提示本報(bào)告由浙商證券股份有限公司（已具備中國證監(jiān)會批復(fù)的證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，經(jīng)營許