前言：運動(dòng)控制系統是工業(yè)自動(dòng)化設備的核心部件，工業(yè)機器人的發(fā)展利好運動(dòng)控制系統行業(yè)發(fā)展。與工業(yè)機器人相比，人形機器人強調“類(lèi)人”屬性，步態(tài)控制、抗沖擊、軌跡規劃要求均更高，難度顯著(zhù)提升，有望給運動(dòng)控制系統帶來(lái)市場(chǎng)需求增量。
運動(dòng)控制系統主要由控制層、驅動(dòng)層以及執行層共同構成，在政策鼓勵下，內資廠(chǎng)商在各品類(lèi)拓展上均進(jìn)展順利，行業(yè)覆蓋度較高，運動(dòng)控制系統國產(chǎn)替代勢不可擋。細分來(lái)看，我國運動(dòng)控制器向中高端發(fā)力，PC-Based 控制卡市場(chǎng)由美國泰道、翠歐等外資品牌占據的格局正在被打破；伺服系統方面，早期日系廠(chǎng)商優(yōu)勢突出，但 2020 年以來(lái)內資如匯川技術(shù)等奮起直追，開(kāi)始加速替代。
一、工業(yè)機器人發(fā)展利好運動(dòng)控制系統行業(yè)發(fā)展，人形機器人有望帶來(lái)市場(chǎng)需求增量
根據觀(guān)研報告網(wǎng)發(fā)布的《中國運動(dòng)控制系統行業(yè)發(fā)展現狀調研與投資趨勢研究報告（2025-2032年）》顯示，運動(dòng)控制是工業(yè)自動(dòng)化控制核心場(chǎng)景、運動(dòng)控制系統是工業(yè)自動(dòng)化設備的核心部件，可以使系統終端執行機構的位置、速度、轉矩等輸出參數準確地跟隨輸入量變化，運動(dòng)控制是電子制造、鋰電光伏、物流、工業(yè)機器人等先進(jìn)制造生產(chǎn)執行過(guò)程中實(shí)現精確定位、精準運動(dòng)的必要途徑。
2022年全球運動(dòng)控制系統行業(yè)規模達155億美元，隨著(zhù)工業(yè)機器人發(fā)展，預計到2027 年 全球運動(dòng)控制系統行業(yè)規模達到 200 億美元，期間復合增速 5.2%。
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工業(yè)機器人通常采用 PC 作為上位機完成人機交互/軌跡規劃，基于 PLC 或 PC-Based 控制器通過(guò)關(guān)節控制、位置控制、力控制實(shí)現運動(dòng)控制。而人形機器人強調“類(lèi)人”屬性，步態(tài)控制、抗沖擊、軌跡規劃要求均更高，難度顯著(zhù)提升，有望給運動(dòng)控制系統帶來(lái)市場(chǎng)需求增量。
工業(yè)機器人運動(dòng)控制分類(lèi)
| 類(lèi)別 | 簡(jiǎn)介 |
| 關(guān)節控制 | 關(guān)節控制為工業(yè)機器人最基礎和核心的控制過(guò)程，單關(guān)節控制不考慮關(guān)節 之間的影響，機器人的機械慣性被當做擾動(dòng)項來(lái)進(jìn)行處理，通常通過(guò)電機實(shí)現驅動(dòng)，由電 流檢測、速度檢測、位置檢測構成閉環(huán)控制。多關(guān)節控制在單關(guān)節的基礎上要考慮關(guān)節之間的影響，通常將其他關(guān)節的對當前關(guān)節的影 響作為前饋?lái)椧胛恢每刂破?，從而構成多關(guān)節控制系統。 |
| 位置控制 | 工業(yè)機器人位置控制與關(guān)節空間軌跡有緊密聯(lián)系，以六自由度工業(yè)機器人 為例，可通過(guò)笛卡爾位置控制由給定位置、關(guān)節空間位置轉換、6 路單關(guān)節位置控制器實(shí) 現工業(yè)機器人末端按照給定的位置和姿態(tài)運動(dòng)。 |
| 力控制 | 采用多維力傳感器獲取笛卡爾坐標系中的多維力、力矩信息，多維力傳感器 主要由力敏元件、信號采集電路、信號調理電路、多維信號解耦系統(硬件或軟件解耦)、 上位機或嵌入式系統信息處理軟件等構成。多維力傳感器廣泛裝配在機器人機械臂。在工業(yè)現場(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)中，將多維力傳感器裝載于小 型機械臂的前端或者機械手爪末端。協(xié)助機器人手臂實(shí)現力度的控制、輪廓追蹤、孔位搜 索以及機械臂防碰撞等功能，保障機器人操作安全與功能實(shí)現。以機械臂控制為例，每個(gè)關(guān)節均含有離合器、制動(dòng)器、諧波減速器，以電機為動(dòng)力源，經(jīng) 齒輪組、減速器為關(guān)節提供動(dòng)能，通過(guò)對關(guān)節速度、位置、力進(jìn)行調節，完成多自由度旋 轉運動(dòng)。 |
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人形機器人運動(dòng)控制分類(lèi)
| 類(lèi)別 | 簡(jiǎn)介 |
| 下肢控制 | 人形機器人由于采用了“類(lèi)人”腿部結構，步行狀態(tài)下的運動(dòng)控制系統屬于非線(xiàn)性和強耦 合，人形機器人需保持步行穩定同時(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《基于動(dòng)作捕捉技術(shù)對仿人機器人運動(dòng)學(xué)分析與仿真》信息，人形機器人下肢可簡(jiǎn)化 為 14 自由度系統，其中，髖關(guān)節為 3 個(gè)自由度，分別為橫滾、俯仰和偏轉，通過(guò) 1 個(gè)虎 克副和 1 個(gè)旋轉副來(lái)連接；同樣的傳動(dòng)方式也作用于踝關(guān)節的 3 個(gè)自由度，每個(gè)膝關(guān)節 1 個(gè)前向自由度，通過(guò) 1 個(gè)旋轉副連接。目前人形機器人的步態(tài)控制一種方式為基于具有反饋機制的控制回路 PID 控制器，通過(guò) PSO 計算進(jìn)行控制優(yōu)化。優(yōu)化后可通過(guò) Matlab 仿真對于控制系統的響應速度、機器人跟 蹤路徑是否有改善進(jìn)行驗證。 |
| 手臂控制 | 以一個(gè)四自由度雙臂人形機器人為例，其運動(dòng)控制系統包含機械臂與伺服電機及控制器， 機械臂在肩部含有兩個(gè)自由度、肘部含有兩個(gè)自由度。機械臂控制類(lèi)似工業(yè)機器人多關(guān)節控制，以肩關(guān)節作為坐標系原點(diǎn)，通過(guò)機器視覺(jué)確定機 械臂末端姿態(tài)與需要達到的定位，再通過(guò)逆運動(dòng)學(xué)算法求解得到關(guān)節變量的解析解，最后 控制各關(guān)關(guān)節以“類(lèi)人”姿態(tài)完成作業(yè)任務(wù)。沖擊（Jerk）為機器人運動(dòng)過(guò)程中加速度的導數，代表力矩變化的快慢，沖擊會(huì )產(chǎn)生振動(dòng)、 過(guò)沖、機械磨損和壽命減少等問(wèn)題?？紤]人形機器人的機械臂有“類(lèi)人”屬性，在操作上 需要平穩地進(jìn)行抓取和抬舉物品，對于實(shí)現最小沖擊要求更高。 |
| 軌跡規劃 | 人形機器人要實(shí)現“類(lèi)人”行為，自由度相比工業(yè)機器人更高，傳感器的應用也會(huì )明顯增 加，例如需要引入視覺(jué)傳感以實(shí)現與環(huán)境交互和空間定位（用于軌跡規劃）。在工業(yè)機器 人應用中，軌跡規劃的應用往往需要專(zhuān)業(yè)工程師通過(guò)編程處理，學(xué)習成本較高?？紤]人形 機器人未來(lái)有消費級應用場(chǎng)景，軌跡規劃必須通過(guò)軟件進(jìn)行封裝，將功能集成并設計出可 視化界面，從而降低使用門(mén)檻。 |
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二、內資廠(chǎng)商行業(yè)覆蓋度較高，運動(dòng)控制系統國產(chǎn)替代勢不可擋
運動(dòng)控制系統主要由電氣系統的控制單元（控制層）、驅動(dòng)單元（驅動(dòng)層）以及機械系統的電機部分（執行層）共同構成?？刂茖影?PLC、IPC、PC-Based 等；在驅動(dòng)和執行層可分為伺服系統與步進(jìn)系統，步進(jìn)系統控制簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高，而伺服系統定位精度高、動(dòng)態(tài)響應快、穩定性好，因此更為高端。
《“十四五”智能制造發(fā)展規劃》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(shù)水平和市場(chǎng)競爭力顯著(zhù)提升，國內市場(chǎng)滿(mǎn)足率要分別超過(guò) 70%和 50%。
在政策鼓勵下，內資廠(chǎng)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(hù)，打破依靠單一“性?xún)r(jià)比”的競爭模式。目前匯川、禾川、偉創(chuàng )等廠(chǎng)商均具備“伺服+變頻+PLC”三件套，其解決方案足以與外資廠(chǎng)商同臺競技，相對 OEM 領(lǐng)域的日系品牌競爭優(yōu)勢更強。內資廠(chǎng)商行業(yè)覆蓋度較高，運動(dòng)控制系統國產(chǎn)替代勢不可擋。
不同企業(yè)解決方案完備程度對比
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地 區 |
公 司 |
驅動(dòng)+執行層 |
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 |
數字化平臺 |
工業(yè)機器人 |
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 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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三、我國運動(dòng)控制器向中高端發(fā)力，伺服系統內資占比有望持續提升
細分來(lái)看，2019年我國運動(dòng)控制系統總體市場(chǎng)規模為 425 億元， 其中運動(dòng)控制器市場(chǎng)規模 85 億元，占比20%；伺服系統市場(chǎng)規模 340 億元，占比80%。
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運動(dòng)控制器方面，中國運動(dòng)控制器行業(yè)將向高性能、多軸同步、智能化、自適應控制方向發(fā)展，并通過(guò)支持工業(yè)互聯(lián)、模塊化設計和云邊協(xié)同提升靈活性和效率。同時(shí)，緊湊型和低功耗設計將滿(mǎn)足輕量化與綠色需求，助力智能制造、機器人與自動(dòng)化裝備的廣泛應用，為工業(yè)升級提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。
隨著(zhù)國內品牌逐漸向中高端發(fā)力，此前PC-Based 控制卡市場(chǎng)由美國泰道、翠歐等外資品牌占據的格局正在被打破。根據數據，2024 年，中國企業(yè)固高、雷賽分別躍居國內PC-Based 控制卡市場(chǎng)第二、第三位，占比7%、6%，僅次于德國倍福（18%）。
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伺服系統方面，早期日系廠(chǎng)商優(yōu)勢突出，但 2020 年以來(lái)內資開(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(zhù)；二線(xiàn)國產(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%，后續有望持續提升。長(cháng)期來(lái)看，伺服行業(yè)內資占比將超過(guò) 80%。
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