行业周报：人形机器人对控制系统实时性要求高，控制器用量大

人形机器人对各个关节的运动控制需要主CPU和控制器的配合 运动控制是指对机械运动部件的位置、速度、方向等进行实时控制，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。控制器就是执行控制任务的核心部件，控制器厂商大多自主开发算法，外购芯片。通常一个完整的控制反馈闭环流程是：CPU向控制器发送运动指令，控制器接收操作指令后进行运动轨迹规划，向驱动器发送控制信号（0和1）；驱动器将控制信号转变为电流和电压信号发送给电机；执行电机按所设定的力矩、速度、位置等指令信号完成相应的运动；测量反馈装置则将检测到的移动部件的实际位移量进行位置反馈，以纠正电机执行动作的偏差。动作指令完成后，控制器再向CPU发送一个结束的信号来结束这个运动指令。 人形机器人对控制系统实时性要求极高，控制器大量使用 在上述控制反馈系统中，驱动器和执行电机的用量比例是1:1。传统6轴工业机器人的控制器和驱动器用量比例是1:6，因时机器人机械手可能采用1:3或1:6的方案。对于包含28个一体化关节、12个高灵敏度要求的手部关节，以及大量的传感器的特斯拉机器人来说，控制器（控制卡）用量将更大，原因主要为以下两点：第一，大量使用控制器保证所有算法都满足实时性的要求，所有的伺服关节同步运动，传感器的数据同步采集，算法的输入和输出都始终处于一个节拍，从而保证机器人的运动性能。第二，控制器作为上位机，开发人员可提前在每个控制器内预设关节运动算法，大脑直接调用，大大减缓运算压力、提高反馈速度，满足人形机器人对关节执行器低延迟的需求。我们假设人形机器人内控制器：驱动器用量为1:1，按单个关节控制卡400元算，40个关节单机价值1.6万元。 运动控制器算法开发、大规模量产能力强的供应商最受益 特斯拉机器人已拥有非常强的软件及算法优势（主要负责CPU内算法），落地进度取决于硬件产能建设以及规模化生产降本的进度。关节模组的关键设计由特斯拉完成，后续产能支持则由供应商配合，国产供应商受益。2023年6月国内主要集成商三花智控发布GDR募资公告，拟投资2.02亿元整合控制器、编码器等资源建设机器人关节执行器项目，国产控制器厂商受益确定性进一步增强。我们认为具备以下三点特征的供应商优势大：第一，控制器领域龙头，卡位优势明显； 第二，具备资金实力、配合度、大规模制造工艺能力和生产组织能力。第三，机器人控制器里的算法主要是四肢/手的运动控制算法，因此给机器人、智能家居、电动工具领域客户稳定供货的控制器厂商在算法开发上更具优势。 受益标的 拓邦股份（同时提供控制器和空心杯电机。控制器产品在电动工具、智能家居、工控领域占据重要份额）；雷赛智能；万讯自控（联营子公司视科普提供3D视觉+AI+机器人运动规划方案，此前已供货特斯拉车厂）；英威腾；海得控制。 风险提示：特斯拉人形机器人量产进度不及预期，硬件使用的种类、用量调整。 1、人形机器人对控制系统实时性要求极高，控制器大量使用 运动控制是指对机械运动部件的位置、速度、方向等进行实时控制，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。控制器就是执行控制任务的核心部件。 控制器厂商大多自研算法、外购芯片。 图1：控制器的基本结构包括硬件、固件、算法 通常一个完整的控制反馈闭环流程是：CPU向控制器发送运动指令，控制器接收操作指令后进行运动轨迹规划，向驱动器发送控制信号（0和1）；驱动器将控制信号转变为电流和电压信号；执行电机按所设定的力矩、速度、位置等指令信号完成相应的运动；测量反馈装置则将检测到的移动部件的实际位移量进行位置反馈，以纠正电机执行动作的偏差。动作指令完成后，控制器再向CPU发送一个动作结束的信号来结束这个运动指令。 图2：通常一个完整的控制反馈闭环流程 图3：双足机器人关节执行器内包括控制器（控制板） 在上述控制反馈系统中，驱动器和执行电机的用量是1:1的关系。传统6轴工业机器人是采用1台控制器控制6台驱动器的方案。对于更加复杂的系统来说，控制器与驱动器之间数量关系可能为1:3甚至1:1。比如，因时机器人单只机械手内部装有6个小型伺服驱动器，控制器可能使用了1个或者2个。 图4：单只6自由度的机器人机械手可能使用了1个或2个控制器 人形机器人对控制系统实时性要求极高，需要使用大量控制器。特斯拉机器人单机包括28个一体化的伺服驱动单元（身体关节）和12个高灵敏度要求的手部关节，以及大量的传感器。对于这样一个复杂系统来说，所有算法都需要满足实时性的要求，所有的伺服关节要同步运动，传感器的数据也要同步采集，保证算法的输入和输出都始终处于一个节拍，才能保证机器人的运动性能。因此，为保证同步性必须使用大量控制器（控制板）。 使用大量控制器，并且在每台控制器内预设算法可大大缓减CPU运算压力。控制器作为上位机，开发人员可提前在每个控制器内预设关节运动算法，大脑直接调用即可，大大减缓运算压力，提高反馈速度。满足人形机器人对关节执行器低延迟的需求。 基于以上分析，我们假设人形机器人内控制器：驱动器为1:1的数量关系，按单个关节控制卡400元算，40个关节单机价值量为1.6万元。 人形机器人对控制器的运算能力有一定要求。16位或32位上位机计算性能更强、更能满足执行复杂动作的需求。进行数据处理时，单次存取、加工和传送的数据长度称为字，一个字通常由一个或多个字节构成。在16位的上位机中，一个字为两个字节，而32位上位机中，一个字是四个字节。32位上位机单次操作处理实际位数比16位更多，计算性能更加强大，因此能执行更为复杂的任务。 2、运动控制器算法开发、大规模量产能力强的供应商受益 特斯拉机器人已拥有非常强的软件及算法优势，落地进度取决于硬件产能建设以及规模化生产降本的进度。特斯拉机器人关节模组采用的零部件种类和现有的机器人基本一致，没有从0→1的产品。关键设计由特斯拉完成，后续产能支持则由供应商配合。 国内重要集成商募资建设机器人执行器项目，整合控制器等资源，国产控制器厂商受益。三花智控在2023年6月发布的GDR募集资金使用可行性分析报告中称，公司拟投资2.02亿元建设机器人机电执行器研发项目。公司通过整合伺服电机、传动组件、编码器、控制器等零部件的资源，致力于设计出在功率密度和响应速度上都可以满足仿生机器人应用的产品，为仿生机器人整体提供性价比高的伺服机电执行器，助力仿生机器人产业化。 对于控制器厂商，我们认为具备以下三点特征的供应商优势大：第一，控制器领域龙头，卡位优势明显；第二，具备资金实力、配合度、大规模制造工艺能力和生产组织能力。第三，由于人形机器人控制器所需的算法主要是四肢/手的运动控制算法，因此过去给机器人、智能家居（如扫地机器人、自动开关窗帘等）、电动工具领域客户稳定供货的厂商在运动控制器的算法开发上更具备优势。 2.1、拓邦股份 公司是中国智能控制领域第一家上市公司。掌握电控、电机、电池三大核心技术，围绕控制器、电机（空心杯电机、无刷直流电机）、电芯三大产品为机器人、工具、家电等领域提供智能解决方案。 公司是国内智能控制器龙头，控制器产品在电动工具、家电、智能家居工控领域占据重要份额。根据观研天下数据，2021年公司在国内智能控制市场占有率最高，为23%。2022年11月，公司在墨西哥蒙特雷的产线正式投产，将规划数十条SMT和DIP生产线，可快速承接新增产能需求。 图5：2021年拓邦股份在我国智能控制器市场的占有率排名第一 2.2、雷赛智能 国内运动控制卡头部企业。公司以步进驱动器和控制器起家。驱动器位于整个运控系统的中层，公司向上延伸拓展控制器，实现了多系列产品的量产，成长为国内领先的运动控制卡供应商；向下布局伺服电机、步进电机，向市场空间更大的伺服系统拓展。根据雷赛智能招股书，公司控制器产品的客户包括涌固精密、舜宇光学、凯格精机、鑫信腾科技、东创科技、大族激光、科瑞技术等。 单台工业机器人可以仅使用1台控制器实现对所有关节的控制，但电机和驱动是1:1的对应关系。因此从营收角度看控制器目前占公司营收比例最低。但控制器技术壁垒高，客户粘性前，价值量大，是公司毛利率最高的产品，2020-2022年毛利率维持在70%左右。 图6：雷赛智能产品布局 图7：2022年，步进系统营收占比最高，达到48% 2.3、万讯自控 公司是掌握数控系统技术的机器人控制器供应商。公司主业为智能自动化仪表，市场地位国内领先。同时，公司自主+联合研发中高端数控系统。数控系统是数控机床的核心控制系统，是数控机床和工业机器人的底层核心技术，技术壁垒极高。自主研发数控系统体现出公司在控制器领域具备强劲技术实力。 公司联营子公司视科普是3D视觉解决方案最有经验的供应商，专注于机器3D视觉控制领域最具挑战性的Bin-Picking技术的开发。视科普基于3D视觉+AI+机器人运动规划，开发能够替代专业技术工人的智能机器人解决方案及工作站，已获得特斯拉、东风本田、上海大众、中国重汽的订单，和宝马、奔驰、大众、沃尔沃、福特、雷诺等多家汽车产业巨头合作。 2.4、英威腾 英威腾以低压变频器起家，是国内低压变频器的标准起草单位之一。 公司较早着手布局运动控制器研发项目，目前已逐渐形成IMPMTC及IMC运动控制卡及控制器为技术平台，推出工业机器人控制系统，数控系统等相关产品。公司的运动控制平台和机器人EherCAT总线控制方案等机器人控制系统多次获国际奖项。公司机器人控制系统采用机器人运动学控制算法，开放式结构，功能扩展方便，目前主要应用于四轴、六轴工业机器人领域，为客户提供全面的高性能运动控制系统解决方案。 2.5、海得控制 控制器领域经验丰富，自主可控、研发能力强：公司拥有20多年的自动化业务丰富经验，基于国产主芯片，自主研发了可实现冗余功能的中型e-Control系列PLC及边缘控制器等产品。其中，PLC产品整合了高性能的嵌入式技术，基于高速背板总线系统架构，将复杂的过程控制、运动控制得到完美实现；边缘控制器集PLC控制与边缘计算功能于一体，充分地适应了工业互联网发展需求。 3、风险提示 特斯拉人形机器人量产进度不及预期，硬件使用的种类、用量调整。