人形機器人產業(yè)鏈分析——伺服系統

話接上篇，特斯拉Optimus人形機器人擁有40個自由度，優(yōu)必選人形機器人walke X含有41個高性能伺服驅動關節(jié)，達闥機器人Cloud Ginger 2.0采用41個柔性智能關節(jié)，傅利葉通用人形機器人GR-1全身更是多達51個自由度。理論上每個關節(jié)對應一個伺服系統，對應是市場增量與減速器相當，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習伺服系統的原理，伺服行業(yè)國內領先的企業(yè)的行業(yè)概況。

一、伺服系統

1.1、伺服定義

伺服系統是使系統終端執(zhí)行結構根據控制指令實現包括位移、轉速和力矩等多維度動作的設備總稱，主要包括伺服驅動器、伺服電機兩部分。伺服驅動器接受上位機發(fā)送的信號，然后轉換為功率信號，即能夠控制電機的電流，驅動電機工作，編碼器作為核心傳感器將電機實時位置傳送回驅動器，驅動器及時修正信號指令，確保電機位置、轉向、轉速滿足預定要求。

圖|伺服系統工作原理示意圖

來源：偉創(chuàng)電氣招股書

1.2、分類

伺服系統產品種類豐富，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)行機構種類可以分為電氣伺服、液壓伺服、氣動伺服。目前應用最為廣泛的是電氣伺服系統，電氣伺服系統根據所驅動的電機類型分為直流伺服系統和交流伺服系統。

表|伺服系統產品分類、特點及應用領域

來源：偉創(chuàng)電氣招股書

1.3、成本占比

伺服系統的基本組成部分包括電機、編碼器、驅動器、控制器等。從成本構成上看，驅動器成本占整個伺服系統成本的42%，電機的成本占比約35%，編碼器成本占比約為11%。而對于驅動器來說，主要結構包括控制芯片、電源模塊、信號采集模塊、功率放大器、過熱保護電路和控制面板等部分，控制芯片是核心，成本占比超過50%。控制芯片的性能關系到伺服驅動器的響應速度和控制精度。此外，電源模塊主要用于向伺服電機供電，信號采集模塊用于采集電機轉子的位置、速度、加速度等運動信息，產生控制信號。從成本端看，伺服驅動主要成本為材料費用，其中IGBT、DSP芯片占總材料成本的50%以上。

二、人形機器人主要伺服方案

當前各人機產品在關節(jié)驅動器零部件選用細節(jié)上略有差異，主要與驅動器方案的選擇有關，而不同方案的選擇往往是應用場景和制造成本之間權衡的結果。優(yōu)必選采用伺服驅動器，達闥自主研發(fā)的一種高集成化、高性能的智能柔性關節(jié)SCA，而特斯拉采用無框力矩電機方案。

表|典型人機產品執(zhí)行器方案

來源：華寶證券

2.1、優(yōu)必選機器人伺服方案

伺服驅動器是機器人的關節(jié)，是開發(fā)機器人控制和運動能力的關鍵硬件。伺服驅動器由電機、伺服控制器、伺服控制算法、減速器、傳感器及其他組件組成。能夠實現多樣化、靈活精確的運動，并進行安全、平穩(wěn)、準確和敏捷的關節(jié)運動的同時執(zhí)行復雜的任務。

優(yōu)必選設計并制造具有不同扭矩的伺服驅動器，以便應用于我們不同形狀及大小的服務機器人，以使其應用于不同行業(yè)。

2.1.1、大型伺服驅動器

大扭矩伺服驅動器集成了高密度無框力矩電機、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

2.1.2、中小型伺服驅動器

在電機控制算法、減速器設計和電機設計三個維度進行深入研究，形成中小型伺服舵機開發(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

兩種伺服的應用場景主要是大型人形機器人Walker、機械臂、人形機器人Alpha系列，服務機器人Cruzr，教育機器人Jimu系列，消殺機器人ADIBOT。

2.2、達闥機器人伺服方案

達闥的伺服方案為自主研發(fā)，進行了兩輪迭代升級，命名為MINTASCA（Smart Compliant Actuator）智能柔性關節(jié),有SCA1.0和SCA2.0兩個系列。SCA集成新型伺服電機、底層伺服驅動、高精度編碼器、高精度減速器于一體，體積僅為傳統伺服系統的十分之一；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，是大多數機器人最核心的運動關節(jié)。

圖|達闥伺服方案升級歷程

來源：達闥官網

達闥優(yōu)化了外轉子無刷伺服電機，優(yōu)化后的電機扭矩密度更高，在體積小的情況下可以輸出更大的扭矩，同時進行了優(yōu)良的散熱設計。

圖|達闥伺服方案結構圖

來源：達闥官網

三、國內主要伺服企業(yè)

3.1、匯川技術

在伺服系統領域，也涌現了匯川技術、埃斯頓等一批國內領先廠商。根據睿工業(yè)統計數據，2023 年上半年，公司通用伺服系統在中國市場份額約 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%；臺達，6.2%）。

2023 年上半年，公司研發(fā)人員合計 4922 人，研發(fā)投入 12.95 億元，研發(fā)費用率為 10.4%。公司累計獲得 3,067 個專利及軟件著作權。通過持續(xù)的高比例研發(fā)投入，進一步提升了電機與驅動控制、工業(yè)控制軟件、新能源汽車電驅總成、數字化、工業(yè)機器人等方面的核心技術水平，鞏固了在該領域的領先地位。

3.1.1、單軸伺服系統

匯川單軸伺服系統高性能中小功率的交流伺服系統。系列產品功率范圍從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。

表|匯川技術伺服產品

來源：匯川技術官網

SV680系列旗艦型伺服驅動器融合匯川汽車級質量設計標準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，7000rpm最高轉速。標配STO與動態(tài)制動，標配EtherCAT總線FSoE功能，擴展SS1/SS2/SLS/SBC/SOS/SSM/SDI功能，內置抱閘輸出與PTC檢測，CE/UL/KC/TUV認證。

圖|匯川技術伺服產品

來源：匯川技術官網

根據MIR數據，匯川2023 伺服實現收入 60.3億元，份額約為28%，進一步實現提升。

3.2、禾川科技

禾川科技的主要產品包括伺服系統、PLC 等，覆蓋了工業(yè)自動化領域的控制層、驅動層和執(zhí)行傳感層，并在近年沿產業(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控機床等領域。其中，伺服系統作為公司的核心產品，搭載自主研發(fā)的編碼器，在定位精度、速度控制、額定轉矩等核心性能指標上均具有較強競爭力，在國內品牌廠商中保持優(yōu)勢地位，2020 年公司通用伺服系統的市場占有率約為 3%，國產品牌中位列第二。

公司多年來不斷完善伺服產品布局，產品目前已廣泛應用于光伏、鋰電、機器人、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、寧德時代、三通 一達、隆基股份、捷佳偉創(chuàng)、邁為股份、先導智能、藍思科技、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%；公司在研項目32個，累計獲得各項知識產權361項，本年新增49項。

公司的伺服系統搭載自主研發(fā)的編碼器，在轉矩精度、速度波動率、速度環(huán)帶寬、控制周期 等性能參數方面已接近國外主流品牌同類可比產品水準，并可以配合多種總線控制，擁有自調整、模型跟蹤、制振等功能，大幅提高產品易用性的同時可以有效抗擾動并保持運行穩(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，在技術先進性及成本優(yōu)勢上取得了較大突破。公司的磁編碼器分辨率最高可達21位，光編碼器分辨率最高可達23位，精度可 達±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、高溫等）的工作環(huán)境中也可提供可靠的速度和位置數據，掌握核心技術的同時降低了公司伺服電機的制造成本。

3.3、偉創(chuàng)電氣

偉創(chuàng)電氣研制生產的伺服系統包括通用伺服系統和行業(yè)專機，其中，通用伺服系統主要有 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)專機產品有 SD500、SD650、EHS100、VC600 系列；運動控制器主要有V5系列。伺服系統與運動控制器產品廣泛應用于機床、印刷包裝、紡織機械、木工機械、機器人/機械手、電子設備等各種行業(yè)。

圖|偉創(chuàng)電氣伺服產品

來源：偉創(chuàng)電氣公告

SD700 伺服系統是在公司全新技術平臺上開發(fā)的一款高性能的伺服系統，通過 FPGA 實現電流環(huán)算法，大幅提升了伺服系統的響應帶寬，除了基礎性能的提升外，同時在易用性上突破了智能調整、魯棒控制、高低頻振動抑制等關鍵技術，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。并開發(fā)出 EtherCAT、MECHATROLINK-III、MECHATROLINK-II、CANopen 總線型產品。 主要應用在機床行業(yè)、印刷包裝機械、紡織機械、機器人/機械手、木工機械、電子設備等。

SD600 伺服系統采用 DSP+FPGA 模式，選取高速數字處理芯片作為核心控制，充分保證伺服算法的運算精度要求，應用工業(yè)級智能功率模塊 IPM，增量 式 2500 線光電編碼器，采用先進的全數字電機控制算法，實現多種算法控制。主要應用于電子設備、紡織化纖、包裝等行業(yè)。

V5 系列運動控制器能夠實現靈活的編程，支持在線調試，操作更便捷，具備電子凸輪、運動控制、總線控制等功能，廣泛應用于印刷包裝，機器人/機械手、 木工機械、紙巾機械，電子設備等各類領域。

四、總結

按照一個關節(jié)對應一個伺服電機，伺服系統均價1000 元計算，同時結合市場預測的2030年全球人形機器人出貨量有望達百萬臺，2030年全球人形機器人用伺服系統市場規(guī)模將分別達400-500億元。

國內企業(yè)目前伺服系統應用主要集中在工業(yè)自動化領域，未來隨著人形出貨量增長，更多的系統將用于人形機器人領域，為產業(yè)鏈帶來更多的市場增量。在人形機器人商業(yè)化加速的背景下，憑借技術上的突破、性價比等優(yōu)勢，國產伺服系統等驅動廠商有望深度參與人形機器人市場。