人形机器人给运动控制系统行业带来增量内资产业覆盖度高运动控制器向中高端发力

2025-03-10 09:51

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前言：运动控制系统是工业自动化设备的核心部件，工业机器人的发展利好运动控制系统行业发展。与工业机器人相比，人形机器人强调“类人”属性，步态控制、抗冲击、轨迹规划要求均更高，难度显著提升，有望给运动控制系统带来市场需求增量。

运动控制系统主要由控制层、驱动层以及执行层共同构成，在政策鼓励下，内资厂商在各品类拓展上均进展顺利，行业覆盖度较高，运动控制系统国产替代势不可挡。细分来看，我国运动控制器向中高端发力，PC-Based 控制卡市场由美国泰道、翠欧等外资品牌占据的格局正在被打破；伺服系统方面，早期日系厂商优势突出，但 2020 年以来内资如汇川技术等奋起直追，开始加速替代。

一、工业机器人发展利好运动控制系统行业发展，人形机器人有望带来市场需求增量

根据观研报告网发布的《中国运动控制系统行业发展现状调研与投资趋势研究报告（2025-2032年）》显示，运动控制是工业自动化控制核心场景、运动控制系统是工业自动化设备的核心部件，可以使系统终端执行机构的位置、速度、转矩等输出参数准确地跟随输入量变化，运动控制是电子制造、锂电光伏、物流、工业机器人等先进制造生产执行过程中实现精确定位、精准运动的必要途径。

2022年全球运动控制系统行业规模达155亿美元，随着工业机器人发展，预计到2027 年全球运动控制系统行业规模达到 200 亿美元，期间复合增速 5.2%。

数据来源：观研天下数据中心整理

工业机器人通常采用 PC 作为上位机完成人机交互/轨迹规划，基于 PLC 或 PC-Based 控制器通过关节控制、位置控制、力控制实现运动控制。而人形机器人强调“类人”属性，步态控制、抗冲击、轨迹规划要求均更高，难度显著提升，有望给运动控制系统带来市场需求增量。

工业机器人运动控制分类

类别	简介
关节控制	关节控制为工业机器人最基础和核心的控制过程，单关节控制不考虑关节之间的影响，机器人的机械惯性被当做扰动项来进行处理，通常通过电机实现驱动，由电流检测、速度检测、位置检测构成闭环控制。多关节控制在单关节的基础上要考虑关节之间的影响，通常将其他关节的对当前关节的影响作为前馈项引入位置控制器，从而构成多关节控制系统。
位置控制	工业机器人位置控制与关节空间轨迹有紧密联系，以六自由度工业机器人为例，可通过笛卡尔位置控制由给定位置、关节空间位置转换、6 路单关节位置控制器实现工业机器人末端按照给定的位置和姿态运动。
力控制	采用多维力传感器获取笛卡尔坐标系中的多维力、力矩信息，多维力传感器主要由力敏元件、信号采集电路、信号调理电路、多维信号解耦系统(硬件或软件解耦)、上位机或嵌入式系统信息处理软件等构成。多维力传感器广泛装配在机器人机械臂。在工业现场生产线中，将多维力传感器装载于小型机械臂的前端或者机械手爪末端。协助机器人手臂实现力度的控制、轮廓追踪、孔位搜索以及机械臂防碰撞等功能，保障机器人操作安全与功能实现。以机械臂控制为例，每个关节均含有离合器、制动器、谐波减速器，以电机为动力源，经齿轮组、减速器为关节提供动能，通过对关节速度、位置、力进行调节，完成多自由度旋转运动。

资料来源：观研天下整理

人形机器人运动控制分类

类别	简介
下肢控制	人形机器人由于采用了“类人”腿部结构，步行状态下的运动控制系统属于非线性和强耦合，人形机器人需保持步行稳定同时按照期望的轨迹行走，同时存在在地面不平整、路面障碍物的干扰，控制难度较高。根据《基于动作捕捉技术对仿人机器人运动学分析与仿真》信息，人形机器人下肢可简化为 14 自由度系统，其中，髋关节为 3 个自由度，分别为横滚、俯仰和偏转，通过 1 个虎克副和 1 个旋转副来连接；同样的传动方式也作用于踝关节的 3 个自由度，每个膝关节 1 个前向自由度，通过 1 个旋转副连接。目前人形机器人的步态控制一种方式为基于具有反馈机制的控制回路 PID 控制器，通过 PSO 计算进行控制优化。优化后可通过 Matlab 仿真对于控制系统的响应速度、机器人跟踪路径是否有改善进行验证。
手臂控制	以一个四自由度双臂人形机器人为例，其运动控制系统包含机械臂与伺服电机及控制器，机械臂在肩部含有两个自由度、肘部含有两个自由度。机械臂控制类似工业机器人多关节控制，以肩关节作为坐标系原点，通过机器视觉确定机械臂末端姿态与需要达到的定位，再通过逆运动学算法求解得到关节变量的解析解，最后控制各关关节以“类人”姿态完成作业任务。冲击（Jerk）为机器人运动过程中加速度的导数，代表力矩变化的快慢，冲击会产生振动、过冲、机械磨损和寿命减少等问题。考虑人形机器人的机械臂有“类人”属性，在操作上需要平稳地进行抓取和抬举物品，对于实现最小冲击要求更高。
轨迹规划	人形机器人要实现“类人”行为，自由度相比工业机器人更高，传感器的应用也会明显增加，例如需要引入视觉传感以实现与环境交互和空间定位（用于轨迹规划）。在工业机器人应用中，轨迹规划的应用往往需要专业工程师通过编程处理，学习成本较高。考虑人形机器人未来有消费级应用场景，轨迹规划必须通过软件进行封装，将功能集成并设计出可视化界面，从而降低使用门槛。

资料来源：观研天下整理

二、内资厂商行业覆盖度较高，运动控制系统国产替代势不可挡

运动控制系统主要由电气系统的控制单元（控制层）、驱动单元（驱动层）以及机械系统的电机部分（执行层）共同构成。控制层包括 PLC、IPC、PC-Based 等；在驱动和执行层可分为伺服系统与步进系统，步进系统控制简单、成本低、可靠性高，而伺服系统定位精度高、动态响应快、稳定性好，因此更为高端。

《“十四五”智能制造发展规划》明确提出，到 2025 年，我国的供给能力明显增强，智能制造装备和工业软件技术水平和市场竞争力显著提升，国内市场满足率要分别超过 70%和 50%。

在政策鼓励下，内资厂商在品类拓展上均进展顺利，依靠“解决方案+性价比+服务”拓展客户，打破依靠单一“性价比”的竞争模式。目前汇川、禾川、伟创等厂商均具备“伺服+变频+PLC”三件套，其解决方案足以与外资厂商同台竞技，相对 OEM 领域的日系品牌竞争优势更强。内资厂商行业覆盖度较高，运动控制系统国产替代势不可挡。

不同企业解决方案完备程度对比

地区

公司

驱动+执行层

控制层

信息层

其他

伺服

低压变频

高压变频

小型PLC

中大型PLC