机械设备行业深度:机器人硬件拆解四:智能关节的控制与驱动

时间:2023-07-20 来源:首页/沐鸣2注册/登陆平台

  伺服系统:驱动器和电机是主要成本,控制芯片是核心。伺服系统主要任务是按控制命令的要求,对功率进行放大、变换与调控等处理,使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制非常灵活方便。伺服系统的基本组成部分包括电机、编码器、驱动器、控制器等,从成本构成上看,驱动器成本占整个伺服系统成本的42%,电机的成本占比约35%,编码器成本占比约为11%。而对于驱动器来说,主要结构包括控制芯片、电源模块、信号采集模块、功率放大器、过热保护电路和控制面板等部分,控制芯片是核心,成本占比超过50%。控制芯片的性能关系到伺服驱动器的响应速度和控制精度。此外,电源模块主要用于向伺服电机供电,信号采集模块用于采集电机转子的位置、速度、加速度等运动信息,产生控制信号。从成本端看,伺服驱动主要成本为材料费用,其中IGBT、DSP 芯片占总材料成本的50%以上。

  智能关节是机器人运动能力重要载体,控制算法难度大大增加。相较于传统机器人,人形机器人的运动控制算法难度大大增加,主要表现在人形机器人有更加复杂的运动控制规划,以及更加复杂的传感和反馈控制。为实现高度复杂的运动控制,人形机器人的关节通常需要更加智能化,其伺服驱动器承担部分运动控制功能,发挥“小脑”的作用。目前多数伺服驱动器均具有独立的控制系统,内部集成主控芯片,形成驱动控制一体化架构。

  主控芯片可以实现比较复杂的控制算法,一般采用数字信号处理器(DSP)、高性能单片机(MCU)、FPGA 等芯片。

  人形机器人打开需求空间,有望迎来百亿级增量市场。通常情况下,伺服电机和伺服驱动器数量为一一对应关系,而控制器可以同时控制多个伺服驱动器。从市场空间来看,以特斯拉Optimus 为例,其全身具有40 个关节执行器,则需要40 个驱动器与之配套,在100 万台人形机器人销售假设下,我们测算其配套的驱动器、控制器的市场空间分别约为80 亿元、45 亿元,合计125 亿元,其中驱控芯片市场空间约为6 亿元,人形机器人有望打开广阔增量空间。

  建议关注:我们认为机器人智能关节的控制与驱动重点聚焦于驱动器和驱动器芯片两个环节,1)建议关注国内领先的驱动器厂商麦格米特、拓邦股份、英威腾;2)电机驱动芯片决定驱动器的响应速度和控制精度,对伺服系统至关重要,建议关注国内优质的电机驱控芯片生产商峰岹科技。



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