人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈分析——伺服系統(tǒng)

話接上篇，特斯拉Optimus人形機(jī)器人擁有40個(gè)自由度，優(yōu)必選人形機(jī)器人walke X含有41個(gè)高性能伺服驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，達(dá)闥機(jī)器人Cloud Ginger 2.0采用41個(gè)柔性智能關(guān)節(jié)，傅利葉通用人形機(jī)器人GR-1全身更是多達(dá)51個(gè)自由度。理論上每個(gè)關(guān)節(jié)對應(yīng)一個(gè)伺服系統(tǒng)，對應(yīng)是市場增量與減速器相當(dāng)，但是各家人形的伺服方案又有很大不同。今天筆者將和大家一起學(xué)習(xí)伺服系統(tǒng)的原理，伺服行業(yè)國內(nèi)領(lǐng)先的企業(yè)的行業(yè)概況。

一、伺服系統(tǒng)

1.1、伺服定義

伺服系統(tǒng)是使系統(tǒng)終端執(zhí)行結(jié)構(gòu)根據(jù)控制指令實(shí)現(xiàn)包括位移、轉(zhuǎn)速和力矩等多維度動(dòng)作的設(shè)備總稱，主要包括伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)兩部分。伺服驅(qū)動(dòng)器接受上位機(jī)發(fā)送的信號，然后轉(zhuǎn)換為功率信號，即能夠控制電機(jī)的電流，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，編碼器作為核心傳感器將電機(jī)實(shí)時(shí)位置傳送回驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器及時(shí)修正信號指令，確保電機(jī)位置、轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速滿足預(yù)定要求。

圖|伺服系統(tǒng)工作原理示意圖

來源：偉創(chuàng)電氣招股書

1.2、分類

伺服系統(tǒng)產(chǎn)品種類豐富，按照功率大小可以分為小型伺服、中型伺服、大型伺服；按照末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)種類可以分為電氣伺服、液壓伺服、氣動(dòng)伺服。目前應(yīng)用最為廣泛的是電氣伺服系統(tǒng)，電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)類型分為直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)。

表|伺服系統(tǒng)產(chǎn)品分類、特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域

來源：偉創(chuàng)電氣招股書

1.3、成本占比

伺服系統(tǒng)的基本組成部分包括電機(jī)、編碼器、驅(qū)動(dòng)器、控制器等。從成本構(gòu)成上看，驅(qū)動(dòng)器成本占整個(gè)伺服系統(tǒng)成本的42%，電機(jī)的成本占比約35%，編碼器成本占比約為11%。而對于驅(qū)動(dòng)器來說，主要結(jié)構(gòu)包括控制芯片、電源模塊、信號采集模塊、功率放大器、過熱保護(hù)電路和控制面板等部分，控制芯片是核心，成本占比超過50%?？刂菩酒男阅荜P(guān)系到伺服驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度和控制精度。此外，電源模塊主要用于向伺服電機(jī)供電，信號采集模塊用于采集電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)信息，產(chǎn)生控制信號。從成本端看，伺服驅(qū)動(dòng)主要成本為材料費(fèi)用，其中IGBT、DSP芯片占總材料成本的50%以上。

二、人形機(jī)器人主要伺服方案

當(dāng)前各人機(jī)產(chǎn)品在關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器零部件選用細(xì)節(jié)上略有差異，主要與驅(qū)動(dòng)器方案的選擇有關(guān)，而不同方案的選擇往往是應(yīng)用場景和制造成本之間權(quán)衡的結(jié)果。優(yōu)必選采用伺服驅(qū)動(dòng)器，達(dá)闥自主研發(fā)的一種高集成化、高性能的智能柔性關(guān)節(jié)SCA，而特斯拉采用無框力矩電機(jī)方案。

表|典型人機(jī)產(chǎn)品執(zhí)行器方案

來源：華寶證券

2.1、優(yōu)必選機(jī)器人伺服方案

伺服驅(qū)動(dòng)器是機(jī)器人的關(guān)節(jié)，是開發(fā)機(jī)器人控制和運(yùn)動(dòng)能力的關(guān)鍵硬件。伺服驅(qū)動(dòng)器由電機(jī)、伺服控制器、伺服控制算法、減速器、傳感器及其他組件組成。能夠?qū)崿F(xiàn)多樣化、靈活精確的運(yùn)動(dòng)，并進(jìn)行安全、平穩(wěn)、準(zhǔn)確和敏捷的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)。

優(yōu)必選設(shè)計(jì)并制造具有不同扭矩的伺服驅(qū)動(dòng)器，以便應(yīng)用于我們不同形狀及大小的服務(wù)機(jī)器人，以使其應(yīng)用于不同行業(yè)。

2.1.1、大型伺服驅(qū)動(dòng)器

大扭矩伺服驅(qū)動(dòng)器集成了高密度無框力矩電機(jī)、雙位置編碼器、行星/諧波減速器和高性能處理控制器，形成一體化，可以滿足高功率密度、大扭矩輸出的需求。目前支持最大扭矩≥200Nm。

圖|優(yōu)必選中大型伺服方案

來源：優(yōu)必選官網(wǎng)

2.1.2、中小型伺服驅(qū)動(dòng)器

在電機(jī)控制算法、減速器設(shè)計(jì)和電機(jī)設(shè)計(jì)三個(gè)維度進(jìn)行深入研究，形成中小型伺服舵機(jī)開發(fā)一站式解決方案

圖|優(yōu)必選中小伺服方案

來源：優(yōu)必選官網(wǎng)

兩種伺服的應(yīng)用場景主要是大型人形機(jī)器人Walker、機(jī)械臂、人形機(jī)器人Alpha系列，服務(wù)機(jī)器人Cruzr，教育機(jī)器人Jimu系列，消殺機(jī)器人ADIBOT。

2.2、達(dá)闥機(jī)器人伺服方案

達(dá)闥的伺服方案為自主研發(fā)，進(jìn)行了兩輪迭代升級，命名為MINTASCA（Smart Compliant Actuator）智能柔性關(guān)節(jié),有SCA1.0和SCA2.0兩個(gè)系列。SCA集成新型伺服電機(jī)、底層伺服驅(qū)動(dòng)、高精度編碼器、高精度減速器于一體，體積僅為傳統(tǒng)伺服系統(tǒng)的十分之一；具備高度集成、總線控制、大扭矩輸出、低成本及易使用性等特點(diǎn)，是大多數(shù)機(jī)器人最核心的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)。

圖|達(dá)闥伺服方案升級歷程

來源：達(dá)闥官網(wǎng)

達(dá)闥優(yōu)化了外轉(zhuǎn)子無刷伺服電機(jī)，優(yōu)化后的電機(jī)扭矩密度更高，在體積小的情況下可以輸出更大的扭矩，同時(shí)進(jìn)行了優(yōu)良的散熱設(shè)計(jì)。

圖|達(dá)闥伺服方案結(jié)構(gòu)圖

來源：達(dá)闥官網(wǎng)

三、國內(nèi)主要伺服企業(yè)

3.1、匯川技術(shù)

在伺服系統(tǒng)領(lǐng)域，也涌現(xiàn)了匯川技術(shù)、埃斯頓等一批國內(nèi)領(lǐng)先廠商。根據(jù)睿工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2023 年上半年，公司通用伺服系統(tǒng)在中國市場份額約 24.3%，位居第一名（排名第二、三、四位的廠商及市占率分別：西門子，10.6%；安川，9.4%；臺(tái)達(dá)，6.2%）。

2023 年上半年，公司研發(fā)人員合計(jì) 4922 人，研發(fā)投入 12.95 億元，研發(fā)費(fèi)用率為 10.4%。公司累計(jì)獲得 3,067 個(gè)專利及軟件著作權(quán)。通過持續(xù)的高比例研發(fā)投入，進(jìn)一步提升了電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制、工業(yè)控制軟件、新能源汽車電驅(qū)總成、數(shù)字化、工業(yè)機(jī)器人等方面的核心技術(shù)水平，鞏固了在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

3.1.1、單軸伺服系統(tǒng)

匯川單軸伺服系統(tǒng)高性能中小功率的交流伺服系統(tǒng)。系列產(chǎn)品功率范圍從50W到7.5kW，支持脈沖、Ethercat、Profinet、Canlink、Canopen、Modbus控制方式，靈活匹配各種類型的上位機(jī)。

表|匯川技術(shù)伺服產(chǎn)品

來源：匯川技術(shù)官網(wǎng)

SV680系列旗艦型伺服驅(qū)動(dòng)器融合匯川汽車級質(zhì)量設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與比較完善的可靠性分析和測試方法。3.5KHz速度環(huán)帶寬，26bit安全型多圈絕對值電機(jī)，7000rpm最高轉(zhuǎn)速。標(biāo)配STO與動(dòng)態(tài)制動(dòng)，標(biāo)配EtherCAT總線FSoE功能，擴(kuò)展SS1/SS2/SLS/SBC/SOS/SSM/SDI功能，內(nèi)置抱閘輸出與PTC檢測，CE/UL/KC/TUV認(rèn)證。

圖|匯川技術(shù)伺服產(chǎn)品

來源：匯川技術(shù)官網(wǎng)

根據(jù)MIR數(shù)據(jù)，匯川2023 伺服實(shí)現(xiàn)收入 60.3億元，份額約為28%，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)提升。

3.2、禾川科技

禾川科技的主要產(chǎn)品包括伺服系統(tǒng)、PLC 等，覆蓋了工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的控制層、驅(qū)動(dòng)層和執(zhí)行傳感層，并在近年沿產(chǎn)業(yè)鏈上下游不斷延伸，涉足上游的工控芯片、傳感器和下游的高端精密數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域。其中，伺服系統(tǒng)作為公司的核心產(chǎn)品，搭載自主研發(fā)的編碼器，在定位精度、速度控制、額定轉(zhuǎn)矩等核心性能指標(biāo)上均具有較強(qiáng)競爭力，在國內(nèi)品牌廠商中保持優(yōu)勢地位，2020 年公司通用伺服系統(tǒng)的市場占有率約為 3%，國產(chǎn)品牌中位列第二。

公司多年來不斷完善伺服產(chǎn)品布局，產(chǎn)品目前已廣泛應(yīng)用于光伏、鋰電、機(jī)器人、3C電子、包裝、紡織、物流、木工、激光等行業(yè)，覆蓋客戶包括比亞迪、工業(yè)富聯(lián)、寧德時(shí)代、三通 一達(dá)、隆基股份、捷佳偉創(chuàng)、邁為股份、先導(dǎo)智能、藍(lán)思科技、埃夫特、卡諾普等多家行業(yè)龍頭企業(yè)。

表|禾川科技伺服產(chǎn)品列表

來源：禾川科技公告

截至 2023年6月30日，公司共擁有研發(fā)人員548 名，占公司員工總數(shù)的27.21%；公司研發(fā)投入為6,779.01萬元，占本期營業(yè)收入的11.27%；公司在研項(xiàng)目32個(gè)，累計(jì)獲得各項(xiàng)知識產(chǎn)權(quán)361項(xiàng)，本年新增49項(xiàng)。

公司的伺服系統(tǒng)搭載自主研發(fā)的編碼器，在轉(zhuǎn)矩精度、速度波動(dòng)率、速度環(huán)帶寬、控制周期 等性能參數(shù)方面已接近國外主流品牌同類可比產(chǎn)品水準(zhǔn)，并可以配合多種總線控制，擁有自調(diào)整、模型跟蹤、制振等功能，大幅提高產(chǎn)品易用性的同時(shí)可以有效抗擾動(dòng)并保持運(yùn)行穩(wěn)定。

公司已自主研發(fā)出具有較大優(yōu)勢的編碼器和工控芯片，在技術(shù)先進(jìn)性及成本優(yōu)勢上取得了較大突破。公司的磁編碼器分辨率最高可達(dá)21位，光編碼器分辨率最高可達(dá)23位，精度可 達(dá)±20角秒，采用差分串行輸出信號，能夠有效防止外部干擾，即使在極為惡劣（油污、振動(dòng)、高溫等）的工作環(huán)境中也可提供可靠的速度和位置數(shù)據(jù)，掌握核心技術(shù)的同時(shí)降低了公司伺服電機(jī)的制造成本。

3.3、偉創(chuàng)電氣

偉創(chuàng)電氣研制生產(chǎn)的伺服系統(tǒng)包括通用伺服系統(tǒng)和行業(yè)專機(jī)，其中，通用伺服系統(tǒng)主要有 SD600 和 SD700 系列，電壓等級涵蓋 48VDC、220VAC、380VAC，功率范圍涵蓋50W至55kW；行業(yè)專機(jī)產(chǎn)品有 SD500、SD650、EHS100、VC600 系列；運(yùn)動(dòng)控制器主要有V5系列。伺服系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于機(jī)床、印刷包裝、紡織機(jī)械、木工機(jī)械、機(jī)器人/機(jī)械手、電子設(shè)備等各種行業(yè)。

圖|偉創(chuàng)電氣伺服產(chǎn)品

來源：偉創(chuàng)電氣公告

SD700 伺服系統(tǒng)是在公司全新技術(shù)平臺(tái)上開發(fā)的一款高性能的伺服系統(tǒng)，通過 FPGA 實(shí)現(xiàn)電流環(huán)算法，大幅提升了伺服系統(tǒng)的響應(yīng)帶寬，除了基礎(chǔ)性能的提升外，同時(shí)在易用性上突破了智能調(diào)整、魯棒控制、高低頻振動(dòng)抑制等關(guān)鍵技術(shù)，支持 23/24 位絕對值編碼器，采用自主開發(fā)的5對極伺服電機(jī)。并開發(fā)出 EtherCAT、MECHATROLINK-III、MECHATROLINK-II、CANopen 總線型產(chǎn)品。 主要應(yīng)用在機(jī)床行業(yè)、印刷包裝機(jī)械、紡織機(jī)械、機(jī)器人/機(jī)械手、木工機(jī)械、電子設(shè)備等。

SD600 伺服系統(tǒng)采用 DSP+FPGA 模式，選取高速數(shù)字處理芯片作為核心控制，充分保證伺服算法的運(yùn)算精度要求，應(yīng)用工業(yè)級智能功率模塊 IPM，增量 式 2500 線光電編碼器，采用先進(jìn)的全數(shù)字電機(jī)控制算法，實(shí)現(xiàn)多種算法控制。主要應(yīng)用于電子設(shè)備、紡織化纖、包裝等行業(yè)。

V5 系列運(yùn)動(dòng)控制器能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的編程，支持在線調(diào)試，操作更便捷，具備電子凸輪、運(yùn)動(dòng)控制、總線控制等功能，廣泛應(yīng)用于印刷包裝，機(jī)器人/機(jī)械手、 木工機(jī)械、紙巾機(jī)械，電子設(shè)備等各類領(lǐng)域。

四、總結(jié)

按照一個(gè)關(guān)節(jié)對應(yīng)一個(gè)伺服電機(jī)，伺服系統(tǒng)均價(jià)1000 元計(jì)算，同時(shí)結(jié)合市場預(yù)測的2030年全球人形機(jī)器人出貨量有望達(dá)百萬臺(tái)，2030年全球人形機(jī)器人用伺服系統(tǒng)市場規(guī)模將分別達(dá)400-500億元。

國內(nèi)企業(yè)目前伺服系統(tǒng)應(yīng)用主要集中在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，未來隨著人形出貨量增長，更多的系統(tǒng)將用于人形機(jī)器人領(lǐng)域，為產(chǎn)業(yè)鏈帶來更多的市場增量。在人形機(jī)器人商業(yè)化加速的背景下，憑借技術(shù)上的突破、性價(jià)比等優(yōu)勢，國產(chǎn)伺服系統(tǒng)等驅(qū)動(dòng)廠商有望深度參與人形機(jī)器人市場。