机器人控制器，人形机器人行动之脑，全球本体厂商必争之地_人形机器人控制器

今天分享的机器人行业系列深度研究报告：《机器人控制器，人形机器人行动之脑，全球本体厂商必争之地》。

（报告出品方：申万宏源研究）

报告共计：45页

1.控制器 : 人形机器人之“大脑&小脑

1.1 控制器 : 人形机器人核心基础

人形机器人控制器框架通常包括感知、语音交互、运动控制等层面。

1)视觉感知层由硬件传感器，算法软件组成，实现识别、3D建模、定位导航等功能;2)运动控制层由触觉传感器、运动控制器等硬件及复杂的运动控制算法组成，对机器人的步态和操作行为进行实时控制;3)交互算法层:包括语音识别、情感识别、自然语言和文本输出等。

以UCLA的人形机器人平台ARTEMIS为例，其控制架构包括硬件接口、仿真界面、控制器接口、安全接口，由中央处理器(CPU)来共享和存储数据和信息。由于目前人形机器人技术方案尚未定型，技术快速迭代，控制器适合采用模块化结构，从而便于更换组件，简化创建不同控制器组合的过程。①硬件接口:包括执行器、惯导(IMU)、传感器等，反馈关节位置、速度、扭矩等数据信息;②仿真界面:模仿硬件接口的功能从而进行仿真环境的模拟测试;③控制器接口:读取到内外部环境信息后，对运动控制器等发送指令;④安全接口:在检测到任何错误行为时关闭机器。

运动控制器是人形机器人控制架构中最重要且复杂的模块之一。对于人类而言，人类可以结合使用不同的感官，如视觉、触觉和听觉等来应对环境中的不确定性，经过长时间的走路训练，运动控制早已内化为“下意识”动作，对于机器人而言，如果机器人在不平坦地面和不确定的外部环境中进行动态运动，运动控制器需要实时调整其计划和轨迹，并协调双足和全身肢体的状态。

1.2 技术攻关关键环节，国家政策重点支持

“大脑”和“小脑”是人形机器人产业化落地的关键所在，也是技术难点所在，不仅是各家人形机器人厂商竞争的关键点，也是目前政策层面重点支持的环节。在今年两大工信部发布的人形机器人重磅政策中，“运动控制”均放在关键位置。

1.3 横向对比成熟产业，底层原理殊途同归

1.3.1 工业机器人 vs 人形:控制精度和工艺理解要求更高

工业机器人控制器作为机器人的“大脑”，具有控制机械臂的工作状态、运动轨迹空间位置、操作顺序等功能。工业机器人对控制器的基本要求包括:@控制工业机器人的位置、速度、加速度等，对连续轨迹运动的机器人还要有轨迹规划和插补运算功能;@人机交互:工作人员使用示教器、操作面板，对机器人进行编程等;@外部感知:部分场景需要工业机器人对视觉、力觉、触觉等有关信息进行测量感知，有时需要与其他设备交换信息和协调工作。

工业机器人控制器通常是PC-Based 控制，由硬件和软件组成:

①硬件:硬件由工控计算机和示教器(示教编程使用)/电脑面板(离线编程使用)组成。其中，工控计算机由 PCB 电路板(将电子元器件与电气连接)、IC芯片(晶体管电阻、电容等微电子元器件形成的集成电路)、晶体管(基于输入电压控制输出电流、电阻电容(阻碍电流，在电路中起分压、分流、限流等作用)组成。工控计算机另外包含操作面板、通信接口、网络接口、传感器接口和驱动器接口等。②软件:软件由控制算法和二次开发(客户定制化开发)，部分工业机器人采用示教编程，工作人员通过示教器控制工控计算机;部分工业机器人需要工作人员进行离线编程，生成机器人的运行轨迹。

机器人控制器架构分为集中控制、主从控制、分布控制三种类型

1)集中控制是由一台机器人实现全部控制功能，结构简单，成本低;但实时性差，难以拓展，可靠性低，是早期机器人的常用结构;

2)主从控制是采用主、从两级处理器实现系统的控制功能，主CPU实现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等，从CPU 实现所有关节的动作控制，实时性好，适用于高精度、高速场景;但系统扩展性较差，维修困难;

3)分布控制采用“分散控制，集中管理”思路，系统对总体目标和任务进行综合协调和分配，子系统协调来完成控制任务;其特点为灵活性好，可靠性提高，有利于系统功能的并行执行，提高效率，易于拓展，可实现智能控制，缺点为当自由度数量和算法变得复杂时，控制性能会恶化。

1.3.2 扫地机器人 VS 人形: 简的移动型机器人框架

扫地机器人系统可以分为以下几个子系统:传感器、控制器、驱动电机、电池及电源管理等部分。首先，扫地机器人通过激光雷达、摄像机以及多种传感器构建的"感知层”将环境的信息传递给扫地机器人的"大脑”导航系统利用这些传感器提供的数据利用SLAM算法，通过软件的方式进行路径规划，确保机器人在空间中准确定位自己的位置并构建环境地图地图建立完成后导航系统将其传递给MCU芯片MCU芯片主要负责运动控制根据地图信息和路径规划，精确地指导扫地机器人进行清洁工作。

人形机器人的控制原理与扫地机器人相似:

1)扫地机器人控制器主要用来规划路径避障，以及人机交互。例如:人类设定打扫范围，以及语音指导扫地机器人进行打扫，由数字信号处理器和微控制器对执行层(电机)进行控制和回馈外部信息。小米及 TCL 等扫地机器人采用意法半导体的 M3 微控制芯片作为路径规划的控制芯片。

2)人形机器人控制器涵盖运动规划和人机交互，运动控制器接收当前广义坐标、力矩和接触状态，并计算所需的前馈力矩和关节反馈，进而控制执行器的状态。

区别在于:人形机器人控制器所需的算法实时性要求高，控制器处理能力远高于扫地机器人。人形机器人的执行器和传感器数量更多，并且要求在尽可能短的时间内完成感知.决策规划和运动控制以及反馈，对软硬件的响应程度和配合要求较高。另外，基于软件算法的研发及模型化执行和操作对算力要求也很高。

1.3.3 汽车控制器 VS 人形:涉及环节更复杂，车规级要求

从HW2.0起，特斯拉开始采用自研智驾域控制器，FSD(完全自动驾驶)是特斯拉推出旨在实现全无人驾驶的智驾产品。其由多颗英伟达芯片构成的算力平台，8颗1.2MP的摄像头接入到域控当中，并与毫末波雷达信息进行融合。当前大规模部署的 HW3.0特斯拉对域控算力进行了大升级从英伟达的算力平台改为自研的FSD芯片和NPUGPU算力提升了12倍，每秒可以处理的视频数也提升了将近21倍。

基于功能集中分区，智能驾驶汽车电子控制系统分为动力域、底盘域、座舱域、自动驾驶域和车身域五域。其中，自动驾驶域是现阶段承载整车个性化智能体验的关键所在也是目前车企的竞争焦点和布局重点。在现阶其功能开发和实现需要涉及大量AI运算因此对芯片所提供算力、操作系统底层算法要求很高;而其他域控制器涉及整车安全的部件较多，因此对功能安全等级要求更高，对芯片算力要求和功能智能化程度相对较低。

自动驾驶汽车域控制器和人形机器人的控制器的结构和控制原理类似。

1)自动驾驶域能够使车辆具备多传感器融合、定位、路径规划、决策控制、图像识别高速通讯、数据处理的能力。自动驾驶域通常需要外接多个摄像头、毫米波雷达、激光雷达等等车载传感器来感知周围环境，通过传感器数据处理及多传感器信息融合，以及适当的工作模型制定相应的策略，进行决策与规划。域控制器的输入为各项传感器的数据，所进行的算法处理涵盖了感知、决策、控制三个层面，最终将输出传送至执行机构，进行车辆的横纵向控制。

2)机器人运动控制器充当着大脑和小脑的作用，用来控制机器人的肢体行为。比如机器人行走这一动作,需要根据感知的环境规划出目标路径经由运动规划( LocomotionPlanner)生成参照投影，产生步伐运动行走方案，再由运动控制器转化为机器人身上各个执行器的扭矩、速度输出，呈现为机器人按照运动规划的步伐方案前进。

1.3.4 Tesla FSD vs Optimus

2023年11月25日特斯拉已经向员工推出全自动驾驶(FSD)V12 版本这一版本将实现全新的“端到端自动驾驶”技术，首次采用神经网络进行车辆控制，包括转向加速和制动，摒弃了之前超过30万行的代码，更加依赖神经网络，减少了对硬编码编程的依赖。FSDV12通过将摄像头获取的图像数据输入神经网络，使网络能够直接输出车辆控制指令，如转向、加速、制动等。这种方法更类似于人类大脑的工作方式，其中99%的决策都由神经网络完成，不再需要高精度地图或激光雷达。仅凭借车身摄像头的视觉输入系统能够进行分析和思考，输出相应的控制策略。

2.工控领域: 控制器发展成熟，国产替代潜力巨大

2.1 控制器经上百年发展，多种技术路线共进

运动控制系统是机械设备的核心部件其功能为实时控制机械运动部件的轨迹、位置速度、加速度等，以确保它们按照预定的运动要求进行移动。一套完整的运动控制系统包括:运动控制器，驱动器、电机、传感器等。其中，控制器利用对被控制的机械系统的运动学和动力学模型进行运动规划和控制预测。同时，通过多种传感器提供的信息进行反馈实现闭环控制。运动控制器内部集成了逻辑控制、精确定位、轨迹控制等算法，从而完成特定的运动轨迹、位置、速度和加速度，以及精确输出符合控制目标的指令，例如温度流量、压力、位移等。

运动控制系统伴随着工业电气化、自动化、智能化的过程，不断吸收先进技术，衍生出众多分支。早期运动控制系统由数字逻辑电路构成，随着微电子和计算机技术的发展计算机软件已取代硬件电路，进而可以实现复杂控制算法，并且可以在使用过程中通过升级来提升性能或改变用途。根据使用场景不同，运动控制系统分为数控系统(CNC)、通用运动控制器(GMC)、可编程逻辑控制器(PLC)等。

2.2 通用控制器: 灵活性、通用性强，可用于复杂控制

运动控制器由硬件、固件、软件等组成。其中硬件部分包括微处理器、存储器、接口电路、通信接口、电源等;固件是指固化在微处理器、存储器、可编程逻辑器件等元件中的软件;软件部分由实时操作系统、运动控制指令编译器、运动控制参数的预处理及优化、运动控制函数通信管理等模块构成。PC-Based 控制器是指基于个人电脑(PC)的控制系统或控制器。这种控制器通常使用个人电脑硬件和软件来执行各种自动化、监控和控制任务。

根据睿工业MIR数据2022年中国PC-based运动控制器行业规模约为32.64亿元预计到2025年中国PCbased 运动控制器行业规模约为40.2亿元PCBased运动控制器主要应用于3C、半导体工业机器人和机床等领域。截至2022年PC-Based 运动控制器的主要应用领域中3C产业半导体制造工业机器人分别占据前三位分别占比16%15%和11%。

PC-based控制器市场以国外成熟厂商占据市场前端，但是国产品牌渗透率较高。根据睿工业MIR数据，2022年市场前五名除去海外企业倍福占比21%，其余均为国产品牌，以研华，固高、雷赛、维宏电子为代表的国产企业占据市场35%，逐步成为PC-based运动控制器领域的重要力量。因此，在 PC-based 运动控制器市场，中低端市场主要以国产厂商为主，但整体技术水平与外资厂商还有一定差距，高端市场仍然受外资企业控制。

2.3 PLC: 面向逻辑控制，编程简单易用性高

PLC 硬件结构与微型计算机类似，由电源、CPU、存储器、I/0、功能模块、通信模块等构成。根据按I/0点数的不同，可分为微型小型中型和大型。小型PLC接口点数小于256，体积更小，价格更低，但功能单一，只能实现简单的控制系统。中大型PLC接口点数大于256，往往具有更强大的控制功能，可用在复杂的逻辑生产系统或大型生产设备的自动化控制中，但是其价格高，技术壁垒高。

PLC和 PC-Based 控制器在项目精度和实时性等功能上存在区别，因此适用于不同的下游应用场景。

1)PC-Based 控制器和专用运动控制器注重复杂运动算法的控制，拥有更强的数据传输和管理能力，适用于连续性控制和高精尖的流程型行业。因此，这些控制器经常适用在需要高度精确和实时性的领域，如工业机器人、半导体制造和医疗设备等。这些控制器具有强大的计算能力和快速的控制周期，以确保运动和操作的高精度和高速度。

2)PLC 更侧重于局部逻辑控制，更适用于单点控制的离散性作业。因此，在一些对精度和实时性的要求较低的应用中，例如家用电器，传统制造业等，通常可以使用较简单的PLC 控制器。

根据睿工业 MIR数据,2022 年 PLC 市场规模大约为 170 亿元具体细分为大型 PLC市场规模约为 85.8 亿元，同比增长 8.8%;小型 PLC 市场规模约为 84.1 亿元，同比增长5.6%。此外，根据 MIR 的预测，到 2025 年，PLC 市场规模预计将增至约 180 亿元，其中小型 PLC 市场规模预计将达到 86.5 亿元 而中大型PLC市场规模预计将达到93.6亿元。

PLC 作为工业控制的核心控制器，是整个工控系统的大脑，也是维护工控产业链安全 的核心组成部分。目前 PLC 大陆厂商市占率依然较低。在全球市场竞争格局中，欧美厂商 在中大型 PLC 市场具有强大的话语权，而日系和台系厂商主要专注于中小型 PLC 市场。随着自主可控性的提高，中国大陆厂商凭借产品性价比高、交期短、快速响应客户需求的优 势，正迅速占领中小型 PLC 市场份额，挑战日、台系厂商的地位。

① 小型 PLC： 小型 PLC 市场的准入门槛相对较低，主要应用于 OEM 市场，由于下游客户对价格敏 感，导致小型 PLC 市场同质化问题严重，竞争激烈。OEM 市场主要以代工生产为主，通常涉及传统产业的升级和新兴产业的自动化。行业种类较为分散，2022 年电池、纺织、包 装、电子制造分别占比 7%、7%、6%、5%。 小型 PLC 市场竞争格局相对分散，呈现一超多强的市场模式。2022 年我国小型 PLC 市场竞争相对分散，其中 TOP2 占据约 53%的市场。西门子的小型 PLC 表现强竞争力，汇 川、三菱、欧姆龙分列二三四位。以汇川、新捷为主的国产品牌市场竞争力持续提升。

② 中大型 PLC： 中大型PLC 市场的技术难度较高，主要应用于项目型市场。由于中大型 PLC 工艺复杂， 主要应用于项目型市场，用户对产品安全性和抗干扰性要求高。项目型市场指的是独立的 单一项目，通常要求满足特定行业的极强针对性需求。在项目型 PLC 市场中，客户对工业 事故的容忍度较低，因此需要 PLC 设备与平台之间形成强大的稳定性。行业种类相对集中， 2022 年电池、冶金、石化、物流分别占比 13%、10%、9%、7%。

2.4 数控系统(CNC)：针对数控机床开发，精度要求高

数控系统是数控机床的“大脑”，是数控机床中技术含量极高的核心部件，占数控机 床成本 20%左右，一般由控制系统、伺服系统和检测系统三部分组成：

1）控制系统硬件 （数控装置）是具有输入输出功能的专用计算机系统，发出控制指令到伺服系统；

2）检测系统可检测机床部件运动位置、速度，并反馈到控制系统和伺服系统，来修正控制指令；

3）伺服系统将来自控制系统的控制指令和检测系统的反馈信息进行比较和控制调节，驱动机床部件按要求运动。

经济型系统已基本实现国产化，国内企业正专注于中高端数控系统的进口替代。中国机床工具工业协会对数控系统按功能、水平分为三类，即经济型数控系统、标准型数控系统和高档型数控系统。其中，标准型和高档型数控系统由于技术难度大，功能、性能和可靠性要求高，国内生产企业相对较少，市场份额主要集中在日本发那科、德国西门子等国际企业，国内以华中数控为代表的优秀系统公司目前正专注于中高端数控系统的进口替代。 经济型数控系统技术较为成熟，国内市场份额已基本被国产品牌占据。

数控系统产品技术壁垒高，市场仍被海外品牌所占据，中高端系统国产替代空间广阔。 根据中国机床工具工业协会数控系统分会统计，在国内不同档次的数控系统市场中，国产 和国外品牌的占有率差异较大。根据睿工业 MIR 数据，按系统销量计算，2022 年发那科、 三菱、西门子等国外品牌占有率约 45%，按照数控系统销售金额计算，这三家厂商合计占据我国数控系统市场 67%的份额。以国内数控机床生产商纽威数控为例，2018-2020 年公 司数控系统进口或境外品牌的采购占比分别为 99.81%、99.53%和 99.88%，其中采购自 发那科的占比分别 82.97%、82.13%和 79.85%。

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