前言：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的核心部件，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展利好運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展。與工業(yè)機(jī)器人相比，人形機(jī)器人強(qiáng)調(diào)“類(lèi)人”屬性，步態(tài)控制、抗沖擊、軌跡規(guī)劃要求均更高，難度顯著提升，有望給運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)帶來(lái)市場(chǎng)需求增量。
運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由控制層、驅(qū)動(dòng)層以及執(zhí)行層共同構(gòu)成，在政策鼓勵(lì)下，內(nèi)資廠商在各品類(lèi)拓展上均進(jìn)展順利，行業(yè)覆蓋度較高，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)替代勢(shì)不可擋。細(xì)分來(lái)看，我國(guó)運(yùn)動(dòng)控制器向中高端發(fā)力，PC-Based 控制卡市場(chǎng)由美國(guó)泰道、翠歐等外資品牌占據(jù)的格局正在被打破；伺服系統(tǒng)方面，早期日系廠商優(yōu)勢(shì)突出，但 2020 年以來(lái)內(nèi)資如匯川技術(shù)等奮起直追，開(kāi)始加速替代。
一、工業(yè)機(jī)器人發(fā)展利好運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展，人形機(jī)器人有望帶來(lái)市場(chǎng)需求增量
根據(jù)觀研報(bào)告網(wǎng)發(fā)布的《中國(guó)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)研與投資趨勢(shì)研究報(bào)告（2025-2032年）》顯示，運(yùn)動(dòng)控制是工業(yè)自動(dòng)化控制核心場(chǎng)景、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的核心部件，可以使系統(tǒng)終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置、速度、轉(zhuǎn)矩等輸出參數(shù)準(zhǔn)確地跟隨輸入量變化，運(yùn)動(dòng)控制是電子制造、鋰電光伏、物流、工業(yè)機(jī)器人等先進(jìn)制造生產(chǎn)執(zhí)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)精確定位、精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)的必要途徑。
2022年全球運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)行業(yè)規(guī)模達(dá)155億美元，隨著工業(yè)機(jī)器人發(fā)展，預(yù)計(jì)到2027 年 全球運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)行業(yè)規(guī)模達(dá)到 200 億美元，期間復(fù)合增速 5.2%。
數(shù)據(jù)來(lái)源：觀研天下數(shù)據(jù)中心整理
工業(yè)機(jī)器人通常采用 PC 作為上位機(jī)完成人機(jī)交互/軌跡規(guī)劃，基于 PLC 或 PC-Based 控制器通過(guò)關(guān)節(jié)控制、位置控制、力控制實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。而人形機(jī)器人強(qiáng)調(diào)“類(lèi)人”屬性，步態(tài)控制、抗沖擊、軌跡規(guī)劃要求均更高，難度顯著提升，有望給運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)帶來(lái)市場(chǎng)需求增量。
工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制分類(lèi)
| 類(lèi)別 | 簡(jiǎn)介 |
| 關(guān)節(jié)控制 | 關(guān)節(jié)控制為工業(yè)機(jī)器人最基礎(chǔ)和核心的控制過(guò)程，單關(guān)節(jié)控制不考慮關(guān)節(jié) 之間的影響，機(jī)器人的機(jī)械慣性被當(dāng)做擾動(dòng)項(xiàng)來(lái)進(jìn)行處理，通常通過(guò)電機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，由電 流檢測(cè)、速度檢測(cè)、位置檢測(cè)構(gòu)成閉環(huán)控制。多關(guān)節(jié)控制在單關(guān)節(jié)的基礎(chǔ)上要考慮關(guān)節(jié)之間的影響，通常將其他關(guān)節(jié)的對(duì)當(dāng)前關(guān)節(jié)的影 響作為前饋?lái)?xiàng)引入位置控制器，從而構(gòu)成多關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)。 |
| 位置控制 | 工業(yè)機(jī)器人位置控制與關(guān)節(jié)空間軌跡有緊密聯(lián)系，以六自由度工業(yè)機(jī)器人 為例，可通過(guò)笛卡爾位置控制由給定位置、關(guān)節(jié)空間位置轉(zhuǎn)換、6 路單關(guān)節(jié)位置控制器實(shí) 現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人末端按照給定的位置和姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。 |
| 力控制 | 采用多維力傳感器獲取笛卡爾坐標(biāo)系中的多維力、力矩信息，多維力傳感器 主要由力敏元件、信號(hào)采集電路、信號(hào)調(diào)理電路、多維信號(hào)解耦系統(tǒng)(硬件或軟件解耦)、 上位機(jī)或嵌入式系統(tǒng)信息處理軟件等構(gòu)成。多維力傳感器廣泛裝配在機(jī)器人機(jī)械臂。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)線中，將多維力傳感器裝載于小 型機(jī)械臂的前端或者機(jī)械手爪末端。協(xié)助機(jī)器人手臂實(shí)現(xiàn)力度的控制、輪廓追蹤、孔位搜 索以及機(jī)械臂防碰撞等功能，保障機(jī)器人操作安全與功能實(shí)現(xiàn)。以機(jī)械臂控制為例，每個(gè)關(guān)節(jié)均含有離合器、制動(dòng)器、諧波減速器，以電機(jī)為動(dòng)力源，經(jīng) 齒輪組、減速器為關(guān)節(jié)提供動(dòng)能，通過(guò)對(duì)關(guān)節(jié)速度、位置、力進(jìn)行調(diào)節(jié)，完成多自由度旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 |
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人形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制分類(lèi)
| 類(lèi)別 | 簡(jiǎn)介 |
| 下肢控制 | 人形機(jī)器人由于采用了“類(lèi)人”腿部結(jié)構(gòu)，步行狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)屬于非線性和強(qiáng)耦 合，人形機(jī)器人需保持步行穩(wěn)定同時(shí)按照期望的軌跡行走，同時(shí)存在在地面不平整、路面 障礙物的干擾，控制難度較高。 根據(jù)《基于動(dòng)作捕捉技術(shù)對(duì)仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真》信息，人形機(jī)器人下肢可簡(jiǎn)化 為 14 自由度系統(tǒng)，其中，髖關(guān)節(jié)為 3 個(gè)自由度，分別為橫滾、俯仰和偏轉(zhuǎn)，通過(guò) 1 個(gè)虎 克副和 1 個(gè)旋轉(zhuǎn)副來(lái)連接；同樣的傳動(dòng)方式也作用于踝關(guān)節(jié)的 3 個(gè)自由度，每個(gè)膝關(guān)節(jié) 1 個(gè)前向自由度，通過(guò) 1 個(gè)旋轉(zhuǎn)副連接。目前人形機(jī)器人的步態(tài)控制一種方式為基于具有反饋機(jī)制的控制回路 PID 控制器，通過(guò) PSO 計(jì)算進(jìn)行控制優(yōu)化。優(yōu)化后可通過(guò) Matlab 仿真對(duì)于控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度、機(jī)器人跟 蹤路徑是否有改善進(jìn)行驗(yàn)證。 |
| 手臂控制 | 以一個(gè)四自由度雙臂人形機(jī)器人為例，其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包含機(jī)械臂與伺服電機(jī)及控制器， 機(jī)械臂在肩部含有兩個(gè)自由度、肘部含有兩個(gè)自由度。機(jī)械臂控制類(lèi)似工業(yè)機(jī)器人多關(guān)節(jié)控制，以肩關(guān)節(jié)作為坐標(biāo)系原點(diǎn)，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)確定機(jī) 械臂末端姿態(tài)與需要達(dá)到的定位，再通過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法求解得到關(guān)節(jié)變量的解析解，最后 控制各關(guān)關(guān)節(jié)以“類(lèi)人”姿態(tài)完成作業(yè)任務(wù)。沖擊（Jerk）為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中加速度的導(dǎo)數(shù)，代表力矩變化的快慢，沖擊會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)、 過(guò)沖、機(jī)械磨損和壽命減少等問(wèn)題?？紤]人形機(jī)器人的機(jī)械臂有“類(lèi)人”屬性，在操作上 需要平穩(wěn)地進(jìn)行抓取和抬舉物品，對(duì)于實(shí)現(xiàn)最小沖擊要求更高。 |
| 軌跡規(guī)劃 | 人形機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)“類(lèi)人”行為，自由度相比工業(yè)機(jī)器人更高，傳感器的應(yīng)用也會(huì)明顯增 加，例如需要引入視覺(jué)傳感以實(shí)現(xiàn)與環(huán)境交互和空間定位（用于軌跡規(guī)劃）。在工業(yè)機(jī)器 人應(yīng)用中，軌跡規(guī)劃的應(yīng)用往往需要專(zhuān)業(yè)工程師通過(guò)編程處理，學(xué)習(xí)成本較高?？紤]人形 機(jī)器人未來(lái)有消費(fèi)級(jí)應(yīng)用場(chǎng)景，軌跡規(guī)劃必須通過(guò)軟件進(jìn)行封裝，將功能集成并設(shè)計(jì)出可 視化界面，從而降低使用門(mén)檻。 |
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二、內(nèi)資廠商行業(yè)覆蓋度較高，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)替代勢(shì)不可擋
運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由電氣系統(tǒng)的控制單元（控制層）、驅(qū)動(dòng)單元（驅(qū)動(dòng)層）以及機(jī)械系統(tǒng)的電機(jī)部分（執(zhí)行層）共同構(gòu)成?？刂茖影?PLC、IPC、PC-Based 等；在驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行層可分為伺服系統(tǒng)與步進(jìn)系統(tǒng)，步進(jìn)系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高，而伺服系統(tǒng)定位精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)定性好，因此更為高端。
《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》明確提出，到 2025 年，我國(guó)的供給能力明顯增強(qiáng)，智能 制造裝備和工業(yè)軟件技術(shù)水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力顯著提升，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)滿足率要分別超過(guò) 70%和 50%。
在政策鼓勵(lì)下，內(nèi)資廠商在品類(lèi)拓展上均進(jìn)展順利，依靠“解決方案+性?xún)r(jià)比+服務(wù)”拓展客戶，打破依靠單一“性?xún)r(jià)比”的競(jìng)爭(zhēng)模式。目前匯川、禾川、偉創(chuàng)等廠商均具備“伺服+變頻+PLC”三件套，其解決方案足以與外資廠商同臺(tái)競(jìng)技，相對(duì) OEM 領(lǐng)域的日系品牌競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)更強(qiáng)。內(nèi)資廠商行業(yè)覆蓋度較高，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)替代勢(shì)不可擋。
不同企業(yè)解決方案完備程度對(duì)比
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地 區(qū) |
公 司 |
驅(qū)動(dòng)+執(zhí)行層 |
控制層 |
信息層 |
其 他 |
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伺 服 |
低壓變頻 |
高壓變頻 |
小 型PLC |
中大型PLC |
PC-Based |
CNC |
DCS |
數(shù)字化平臺(tái) |
工業(yè)機(jī)器人 |
儀器儀表 |
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歐 美 |
西門(mén)子 |
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ABB |
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施耐德 |
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羅克韋爾 |
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霍尼韋爾 |
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日 韓 |
安川 |
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松下 |
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歐姆龍 |
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三菱 |
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內(nèi) 資 |
匯川技術(shù) |
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中控技術(shù) |
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英威騰 |
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雷賽智能 |
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禾川科技 |
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偉創(chuàng)電氣 |
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信捷電氣 |
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正弦電氣 |
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資料來(lái)源：觀研天下整理
三、我國(guó)運(yùn)動(dòng)控制器向中高端發(fā)力，伺服系統(tǒng)內(nèi)資占比有望持續(xù)提升
細(xì)分來(lái)看，2019年我國(guó)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總體市場(chǎng)規(guī)模為 425 億元， 其中運(yùn)動(dòng)控制器市場(chǎng)規(guī)模 85 億元，占比20%；伺服系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模 340 億元，占比80%。
數(shù)據(jù)來(lái)源：觀研天下數(shù)據(jù)中心整理
運(yùn)動(dòng)控制器方面，中國(guó)運(yùn)動(dòng)控制器行業(yè)將向高性能、多軸同步、智能化、自適應(yīng)控制方向發(fā)展，并通過(guò)支持工業(yè)互聯(lián)、模塊化設(shè)計(jì)和云邊協(xié)同提升靈活性和效率。同時(shí)，緊湊型和低功耗設(shè)計(jì)將滿足輕量化與綠色需求，助力智能制造、機(jī)器人與自動(dòng)化裝備的廣泛應(yīng)用，為工業(yè)升級(jí)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。
隨著國(guó)內(nèi)品牌逐漸向中高端發(fā)力，此前PC-Based 控制卡市場(chǎng)由美國(guó)泰道、翠歐等外資品牌占據(jù)的格局正在被打破。根據(jù)數(shù)據(jù)，2024 年，中國(guó)企業(yè)固高、雷賽分別躍居國(guó)內(nèi)PC-Based 控制卡市場(chǎng)第二、第三位，占比7%、6%，僅次于德國(guó)倍福（18%）。
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伺服系統(tǒng)方面，早期日系廠商優(yōu)勢(shì)突出，但 2020 年以來(lái)內(nèi)資開(kāi)始加速替代，龍頭匯川技術(shù)份額從 2017 年 5%提升到 2024 年的 28%，頭部地位顯著；二線國(guó)產(chǎn)品牌禾川科技、信捷電氣、雷賽智能等也奮起直追，市占率各約 5%，后續(xù)有望持續(xù)提升。長(zhǎng)期來(lái)看，伺服行業(yè)內(nèi)資占比將超過(guò) 80%。
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