电子-人形机器人专题-平衡控制正式版.docx

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1、证券研究报告I行业专题I电子电子报告日期：2023年12月25日人形机器人专题一平衡控制一一行业专题报告行业评级：看好（维持）分析师：蒋高振执业证书号：S1230520050002j ianggaozhen StOC研究助理：陈颖ChenyingOl StOC研究助理：陈诗含chenshihan相关报告1美光业绩指引乐观，存储板 块盈利趋势上行2023.12.24投资要点口平衡稳定是人形机器人的基础和难点人形机器人的双足移动方式在复杂环境下优于其他运动方式（轮式移动、履带式移动等）的一个重要原因是它更加通用灵活,能够实现上下楼梯、跨越障碍、在不平整地面行走等动作，使其能够适应多种应用场景，如特

2、种服务领域面向恶劣条件、复杂地形作业，以及民生服务领域的家政、理疗护理等。人形机器人的双足形式一方面能够满足复杂地形的行动要求，使机器人具备在多种环境下工作的能力，另一方面也由于高维、非线性、欠驱动等特点，给机器人的平衡稳定控制带来较大的技术难度。双足机器人的关节自由度一般高于常见的六自由度工业机器人，动力学模型非常复杂，包含了连续变量动态系统、离散事件动态系统以及两者相互作用的混杂系统，因此，控制双足机器人姿态稳定是该领域的难点之惯性测量单元可用于机器人平衡稳控2【消电创新】苹果ViSiOnPro发售在即，继续重视MR创 新链2023.12.183国内新能源车月产销量首超 百万，L3智能驾驶

3、加速上路2023.12.17为了实现对机器人姿态的控制，通常做法是在机器人躯干部位安装多种惯性测量单元（InertialMeasurementUnit,IMU）,并且在足底安装多个压力传感器，通过采集各种传感器的实时数据得到机器人的整体姿态信息，然后利用平衡控制算法来实现机器人静态和动态的平衡稳定。一个IMU通常包含三个轴向的陀螺和三个轴向的加速度计，以测量物体在三维空间中的角速率和加速度。实际应用中，可采用IMU或者分立的陀螺仪与加速度计作为姿态校正检测单元。惯性传感器市场份额集中，替代空间大根据YoIe发布的StatusofMEMSIndustry2022,2021年世界MEMS惯性传感器

4、市场规模约35.09亿美元。其中，2021年MEMS陀螺仪和MEMS加速度计市场规模达到15.93亿美元，占全球MEMS行业总市场规模的45.40%。根据头豹研究院公司发布的2022年中国MEMS传感器行业概览，2021年中国MEMS惯性传感器市场规模约136.00亿元。世界MEMS惯性产品市场份额集中在HoneyWell、ADLNorthroPGrUmman/Litef等海外行业巨头手中，市场份额前三的公司合计占有50%以上的份额。国产厂商目前市场份额占比较少，替代空间广阔。相关企业芯动联科；美泰电子；华依科技；敏芯股份。风险提示技术进展不及预期：需求不及预期；技术方案被替代。I平衡稳定&X

5、形前人应用的基础正文目录2惯性测量单元用于机器人平衡稳控图表目录图1:人形机器人在各种场景下保持稳定4图2：人形机器人姿态稳定控制5图3：人形机器人基于惯性测量单元的稳定控制结构5图4：全球MEMS惯性传感器市场规模（单位：亿美元）6图5：中国MEMS惯性传感器市场规模（单位：亿元）7图6：2021年全球MEMS惯性传感器竞争格局7表1：MEMS惯性传感器应用领域61平衡稳定是人形机器人应用的基础平衡稳定是人形机器人开展多种实际工作的基础。人形机器人的双足移动方式在复杂环境下优于其他运动方式（轮式移动、履带式移动等）的一个重要原因是它更加通用灵活,能够实现上下楼梯、跨越障碍、在不平整地面行走等

6、动作，使其能够适应多种应用场景，如特种服务领域面向恶劣条件、复杂地形作业，以及民生服务领域的家政、理疗护理等。人工智能技术的快速发展使人形机器人理解并执行复杂任务成为可能，将进一步推动人形机器人在各种应用场景下落地。平衡稳定是人形机器人开展多种实际工作的基础。平衡控制能够提高机器人在行动过程中的稳定性、稳健性及环境自我适应能力。图1：人形机器人在各种场景下保持稔定资料来源：优必选公告，IEEE,浙商证券研究所控制双足机器人姿态稳定是该领域的难点。人形机器人的双足形式方面能够满足复杂地形的行动要求，使机器人具备在多种环境下工作的能力，另一方面也由于高维、非线性、欠驱动等特点，给机器人的平衡稳定控

7、制带来较大的技术难度。双足机器人的关节自由度一般高于常见的六自由度工业机器人，动力学模型非常复杂，包含了连续变量动态系统、离散事件动态系统以及两者相互作用的混杂系统，因此，控制双足机器人姿态稳定是该领域的难点之一。姿态稳定要求人形机器人具备各项稳定控制能力，包括倾倒恢复能力（受到外力影响时，人形机器人可在移动过程中纠正步伐频率及落脚点，使其在受到外力干扰时可以快速恢复并保持平衡）、单腿平衡能力（人形机器人即使单腿站立也不会被轻易推倒，具备稳定性且能完成一系列不同的动作）、动态平衡能力（人形机器人能够在不稳定的地面及坡地上保持平衡）等。图2：人形机器人姿态稳定控制资料来源：优必选公告，浙商证券研

8、究所2惯性测量单元用于机器人平衡稳控惯性测量单元可用于机器人平衡稳控。在双足机器人行走过程当中，行走姿态会受到不平整地面或外力的影响导致躯干处于非平衡状态。为了实现对机器人姿态的控制，通常做法是在机器人躯干部位安装多种惯性测量单元(InertialMeasurementUnit.IMU),并且在足底安装多个压力传感器，通过采集各种传感器的实时数据得到机器人的整体姿态信息，然后利用平衡控制算法来实现机器人静态和动态的平衡稳定。获取机器人姿态信息普遍采用的方法是通过对机器人角度和角速度进行测量，根据数据波动的大小，采取一定的调整措施。惯性测量单元IMU是测量物体三轴姿态角(或角速率)及加速度的装置

9、。一个IMU通常包含三个轴向的陀螺和三个轴向的加速度计，以测量物体在三维空间中的角速率和加速度。实际应用中，可采用IMU或者分立的陀螺仪与加速度计作为姿态校正检测单元。图3：人形机器人基于惯性测量单元的稳定控制结构资料来源：优必选官网，LearningFullBodyPushRecoveryControlforSmallHumanoidRobots,浙商证券研究所2.1惯性传感器陀螺仪和加速度计经过多年发展，具有多种技术路径。近年来，随着微机械电子系统(MEMS)等学科的兴起，MEMS陀螺仪及MEMS加速度计开始出现。MEMS陀螺仪具备小型化、高集成、低成本的特点，因此，虽然其精度较传统陀螺仪

10、低，但仍具有广阔的应用场景。MEMS加速度计可以分为电容式、压电式、热感式、谐振式等。其中，电容式MEMS加速度计因其检测精度高、受温度影响小、功耗低、宽动态范围、以及可以测量静态加速度等优点，是目前应用最多的类型。目前MEMS惯性传感器已被广泛应用于工业与通信、高可靠、汽车电子、医疗健康、消费电子等多个领域。随着MEMS惯性技术的持续进步，高性能MEMS惯性传感器应用逐渐拓展到无人系统、自动驾驶、高端工业、高可靠等领域，而中低性能MEMS惯性传感器主要应用于消费电子和汽车等领域。表1：MEMS惯性传感/应用领域领域应用无人系统、工业机器人、石油勘探、测量测绘、高速铁路、精密工业与通信农业、工

11、程机械、寻北仪、光电吊舱、动中通、光伏跟踪系统、结构健康监测、振动监测等天线姿态监测、高可靠卫星姿态控制、航姿备份系统等汽车电子安全气囊、车身稳定系统、TPMS胎压传感曙、自动驾驶高精定位等GPS辅助导航、医疗健康健康监测设备、植入式心脏起搏器、手术机器人、康复训练设备等消费电子智能手机、平板电脑、游戏机、智能手表、智能手环、TWS耳机、笔记本电脑、数码相机、智能玩具等资料来源：芯动联科招股书，浙商证券研究所根据Yole发布的StatusofMEMSIndustry2022,2021年世界MEMS惯性传感器市场规模约35.09亿美元。其中，2021年MEMS陀螺仪和MEMS加速度计市场规模达到

12、15.93亿美元，占全球MEMS行业总市场规模的45.40%。根据头豹研究院公司发布的2022年中国MEMS传感器行业概览，2021年中国MEMS惯性传感器市场规模约136.00亿元。图4：全球MEMS惯性传感器市场规模(单位：亿美元)资料来源：YoleIntelligenceStatusofMEMSIndustr2022浙商证券研究所图5：中国MEMS惯性传感器市场规模（单位：亿元）资料来源：头豹研究院、浙商证券研究所世界MEMS惯性产品市场份额集中在HOneyWeII、ADkNOrthroPGrUmman/Litef等海外行业巨头手中，市场份额前三的公司合计占有50%以上的份额。依据Yol

13、e,2021年HoneyWelI的MEMS惯性传感器实现收入约15.38亿元，市场份额达到34%,位居第一。国产厂商目前市场份额占比较少，替代空间广阔。图6：2021年全球MEMS惯性传感器竞争格局8%HoneywellAnalogDevicesNorthropGrummanZLitef其他资料来源：Yole,浙商证券研究所2.2相关供应商芯动联科：公司主要产品为高性能MEMS惯性传感器，包括MEMS陀螺仪及MEMS加速度计。公司高性能MEMS惯性传感器的核心性能指标达到国际先进水平，复杂环境下适应性强，在无人系统、信息通讯、自动驾驶、石油勘探、高速铁路、测量测绘等场景应用广泛。公司高性能ME

14、MS陀螺仪具有小型化、高集成、低成本的优势，有力推动了MEMS陀螺仪在高性能惯性领域的广泛应用。美泰电子：公司专门致力于MEMS器件与系统的研发、生产和销售，是国内知名MEMS核心芯片、器件和系统产品供应商。优势产品包括MEMS惯性器件与系统、MEMS传感器、汽车传感器、压力传感器、射频MEMS器件等，产品广泛应用于航空航天、高铁、汽车、自动驾驶、通信、地震监测、物联网、智慧城市、智能家电等领域。华依科技：公司是国内汽车测试行业龙头和领先的智驾感知定位解决方案提供商，专注于为数字化定义汽车与人工智能的深度融合提供研发测试服务、品质保障高端装备和智驾服务及核心产品。公司在2018年成立智能驾驶事

15、业部，开展智能驾驶核心零部件的前期研发布局。公司IMU产品精度保持行业领先，实现应用层产品的率先落地。敏芯股份：公司是一家专业从事微电子机械系统传感器研发设计的高新技术企业。公司主要从事MEMS传感器的研发与销售，实现了MEMS传感器全生产环节的国产化。公司目前主要产品线包括MEMS麦克风、MEMS压力传感器和MEMS惯性传感器，应用场景涵盖了消费电子、医疗、工业控制以及汽车电子等领域。3风险提示（一）技术进展不及预期人形机器人集成人工智能、高端制造、新材料等先进技术，涉及众多不同领域，复杂度高，开发难度较大。如果未来研发及产业化过程中某一环节遇到瓶颈无法快速突破，将会造成人形机器人整体进展不及预期的风险，对于其他各环节均会造成不利影响。（二）需求不及预期一方面，经济不景气或周期性波动可能导致市场需求下降，从而带来人形机器人产品销售困难；另一方面，人形机器人目前成本较高，如果不能有效降本，将会阻碍人形机器人实际场景落地，降低人形机器人产品的经济性及用户购买意愿。对于相关组件发展造成不利影响。（三）技术方案被替代人形机器人发展尚处早期阶段，