公司是一家专业从事精密传动装置研发、设计、生产和销售的高新技术企业，产品包括谐波减速器、机电一体化执行器及精密零部件。公司产品广泛应用于工业机器人、服务机器人、数控机床、航空航天、医疗器械、半导体生产设备、装备等高端制造领域。精密谐波减速器是机器人三大核心零部件之一，公司经过多年持续研发投入，实现了精密谐波减速器的规模化生产及销售，打破了国际品牌在机器人用谐波减速器领域的垄断，并实现批量出口。未来还有微型精密电液伺服产品（储备）预计于22年发布，主要应用领域是能跑能跳能负载的机器人，如类似波斯顿狗。

  公司谐波减速器或机电一体化执行器的主要终端客户包括新松机器人、华数机器人、、、广州数控、遨博智能、、、优必选、配天技术、UniversalRobots（全球第一的协作机器人品牌）、Kollmorgen、VarianMedical System 等国内外知名品牌及制造商，公司也是ABB、、那智不二越、阿法拉伐等诸多国际制造企业的精密零配件供应商。

  2014年11月，UniversalRobots 从互联网途径了解了公司谐波减速器产品并与公司联系购买谐波减速器样品进行测试；2015年8月，公司通过了多轮测试和实地考察后，UniversalRobots小规模下单；2016年11月，公司与UniversalRobots 签订了框架协议，开始批量供货。绿的的增长与UR的合作联系较为紧密。

原材料包括钢材、刀具、检具、铝材、电子元器件及轴承等。公司谐波减速器用轴承以自产为主，钢材也会由公司进行二次加工达到使用条件，对外采购的轴承主要为特定型号减速器所用的深沟球轴承。

生产模式为“以销定产加安全库存”，以自主生产模式为主，部分零部件及配件的常规加工工序采用外协加工模式。

对外销售的谐波减速器和机电一体化执行器根据产品型号、物流成本与境外客户协商定价；精密零部件产品具有非标属性，发行人会根据客户所定制产品的物料及加工成本向客户报价。

境内外谐波减速器、机电一体化执行器采用直销与经销相结合的销售模式，精密零部件采用直销模式。随着公司减速器的行业地位和知名度逐步提高，未来直销占比有望加大。目前境外有3名境外经销商，分别在欧洲、韩国和中国台湾地区经销发行人谐波减速器产品，采用买断式的销售方式。其中ASSAG、BaumNewtec C.,Ltd.自2015年签署经销协议以来形成了稳定的合作；台湾能麒是2019年9月初步达成经销协议的经销商，目前双方正紧密合作开拓台湾地区的客户。

实控人、股权架构以及对公司构成关键人员的过往信息

实际控制人为自然人左昱昱、左晶，二人系兄弟关系，持股比例各为20.40%，合计持有公司40.80%股份。

  创始人为左昱昱，左昱昱毕业于南京大学物理学专业，具备较强的研究能力，其对谐波减速器的传动原理、数学建模、齿形设计进行研究，并结合积累的机加工生产实践经验对谐波减速器所用材料及材料处理工艺、加工装配工艺进行不断探索，逐渐掌握了谐波传动完整的核心技术，建立了多学科交叉耦合的研发、生产人才梯队。在2003年决定在恒加金属原有业务基础上建立团队向自主研发设计产品的路径发展，提高公司长期竞争力。2003年至2011年间其与李谦带领公司研发团队进行谐波传动的理论与。2011年3月，公司首台减速器样机送江苏省减速机产品质量监督检验中心测试，2013年，公司成为国内第一家可以量产谐波减速器的厂家，并成功与国内知名机器人生产厂商批量合作。

过往经营数据及生意特征

公司的质地和产品技术含量都很不错，但是整体的ROE却不高，甚至低于和。拆分来看主要集中在较低的负债率和较低的总资产周转率两项。从下图可以看出，绿的的净利率要远远高于行业的标准，甚至高于全球龙头哈默纳科，21年的净利率到达了44%，但总资产周转率要远低于行业，主要原因还是目前的营收规模较小，投入较大，且原材料到最后成品还需要自己进行深加工，不像哈默纳科日本本土的高端原材料拿来直接就可以用，另外还有生产上自动化比较低。未来随着产能的提升，规模的扩大，ROE有望获得较快的提升。

从现金流净额来看好像不如中大和国茂，但其实本质上还是产品上的差异，绿的的壁垒较高，初期的投资比较大，只有产品获得认证后才有较好的营收进而改善现金流，和目前绿的所处的成长周期相关。

   绿的的毛利率过往都比较稳定，谐波减速器的毛利率更是稳定在59%左右，很好的体现了绿的产品的技术含量以及突破日本垄断后享受该领域较好的竞争格局。

   绿的的费用率这块目前是高于和，主要是其研发费用率远远高于这两家，常年维持在10%以上的研发费用率。未来随着规模扩大及内部自动化率提高和降本增效手段有望进一步降低。而销售费用率因为公司产品的竞争力、行业地位及良好的竞争格局之下仍有望维持较低的水平。财务费用从公司的经营现金流和投资现金流来看未来有息负债大量增长的可能性不大，预计仍会维持较低的水平。（暂不考虑汇兑损益）

   从现金流来看，随着公司规模的扩大，现金流逐步改善，21年有所下滑主要还是原材料涨价和备货所致。未来有望维持较好的现金流水平。但是目前来看绿的对上游的议价能力是弱于和的，可能也与其采购的原材料的品质要高于这两家的原因，但未来是否会因为规模扩大而提高对上游的议价能力还有待观察。

   公司过往的营收呈现了一定的周期性，主要由于其下游的机器人行业的终端消费电子和汽车行业占了机器人应用的近五成。19年汽车和消费电子都比较低迷。其次是因为绿的的产品结构较为单一，主要产品就是谐波减速器，抵抗周期波动的能力较弱。这里放了一张哈默纳科的营收图，19年哈默纳科的营收下滑了50%左右，谐波减速器营收占其总营收的70%。而当时的情况绿的不管是营收还是利润都远小于哈默纳科，主要原因是绿的规模刚开始起步，虽然下游在下行，但绿的处于国产替代的上行期。而哈默纳科下滑如此之大的原因还有17年的订单爆发过于旺盛，当年哈默纳科有50亿的订单，直到19年才消化。从上我们需要了解绿的所处的行业属于周期性的行业，但是对于绿的目前还是以成长为主旋律。如果未来因为周期的景气原因造成绿的的股价下跌，那么也意味着绝佳机会的到来。

  整体来说绿的所处的谐波减速器行业属于一个竞争壁垒高，格局良好的行业。长期来看下游未来机器人也是一个景气度较高的行业，作为这个赛道具备高壁垒的卖水人十分受益。对于绿的我的看法还是以市占提升为主，经营提质为辅。

行业背景/市场空间及潜力

谐波减速器是机器人领域中的三大核心部件之一，但在国外是一个早已成熟的技术，技术基础是谐波传动，它是由波发生器、柔性轮、刚性轮三个结构组成的传动，波发生器会使柔性轮产生弹性形变，与刚性轮共同传递运动，实现大传动比，与通用减速器相比，用于机器人关节的谐波减速器要求具有传动链“短、体积小、功率大、质量轻和易于控制等特点，因此对精度的要求更高。谐波减速器已经发展了50多年，过往一直被日本卡脖子，直到13年才算真正突破了国外的垄断。国外能垄断这个行业这么长时间，主要的壁垒由于下游对于谐波减速器精度和批量稳定性、寿命的要求。

目前高端谐波加速器主要来自日本哈默纳科和新宝，其实从启动转矩、传动误差、运行转矩、扭转刚度等各项技术指标上看，绿的、大族、来福等企业与哈默纳科几乎水平相当，价格也更低。

谐波减速器下游应用如下：

近年来，随着工业机器人、高端数控机床等智能制造和领域的快速发展，谐波减速器与RV减速器已成为高精密传动领域广泛使用的精密减速器。由于传动原理和结构等技术特点差异，使二者在下游产品及应用领域方面各有所侧重、相辅相成，应用于不同场景和终端行业。以在工业机器人领域使用情况为例，二者具体对比如下，从：

  谐波减速器优点包括体积小、重量轻、运动精度高，能在密闭空间和介质辐射的工况下正常工作。与 RV减速器比较，在输出力矩相同时，谐波减速器的体积可减少2/3，重量可减轻 1/2，在机器人小臂、腕部、手部等部件具有较强优势；但谐波减速器的负载轻，限制了其向重负载部位拓展的可能。

几个常用的精密减速器结构特征上的区别如下：

如果说机器人未来有望大规模面向C端的话谐波减速器无疑是最能吃到红利的。

减速器在机器人中的成本占比如下：

从前面谐波与RV的对比来看，虽然谐波和RV的整体出货量占比比较接近，但是由于销售单价上的差距，谐波的市场空间要小于RV。18年谐波（机器人用）的出货量全球占比约40%左右，RV的占比也差不多。

从下游来看，我国的工业机器人的国产化率平均为32.2%。但在消费电子和汽车这两个重要领域的国产化率都非常低。而这两个领域都是壁垒比较高，验证比较严的领域，国产切入难度大，原来机器人的几个核心部件被国外垄断，价格高、供货周期长等制约着我国机器人的发展，随着三大核心部件不断被国内厂家突破，未来重点看这两个领域的国产化率提升情况。

  虽然我国的机器人国产化率有待提高，但是目前我国已经是全球最大的机器人市场，占总量约36%（18年数据），为谐波减速器的发展提供了较好的土壤。

  2018年我国工业机器人市场销量15.6万台，同比下降 1.73%，首次出现年度下滑，主要原因在于国内机器人的前两大应用领域——汽车制造业（占比约 25.5%）和3C制造业（占比约29.8%）景气度下降。

机器人及机器人关节为高度机电耦合系统，机电一体化模组将减速器及其他部分零部件进行模块化集成，能够提升减速器产品的功能属性和适用场景，降低厂商部件采购种类，减少安装环节、提高集成效率，并降低工业机器人的开发和应用门槛，让下游制造商更加专注于其机器人应用场景的开发，促进下游行业使用效率的提高和生产成本的降低，迎合了下游行业客户的市场需求。

一体化是未来的趋势，如龙头哈默纳科提出了“整体运动控制”，将谐波减速器与电机、传感器等组合，提供高附加值模块化产品；科尔摩根发布RGM机器人关节模组，探索提供机器人关节解决方案；绿的也适时推出了中空结构一体化谐波减速模组产品，融合集成谐波减速器、超扁平力矩电机、EtherCAT 总线型驱动器、绝对值中空编码器、制动器、智能传感器等于一体，简化了用户安装使用时间和成本，适应了谐波减速器未来市场需求。

谐波减速器整体的行业空间已经有多个的研报根据下游工业机器人、协作机器人、数控机床等领域的拆分来详细的分析，大致全球的市场空间25年在60~90亿。从绿的的过往来看，谐波减速器的营收占比大致在80%左右，21年营收4.4亿，对应谐波减速器的营收约3.5亿。哈默纳科最新一期的财务营收为23亿（已经较18年的高峰下滑了50%多）。

  虽然绿的处于一个较小的细分市场，但目前的营收对应行业空间来看中短期还是具有较好的成长空间。

全球范围内，哈默纳科（HarmonicDrive System）与纳博特斯克（Nabtesco）分别在谐波减速器和 RV减速器领域取得了市场主导地位，占据全球工业机器人减速器市场70%左右的份额。依靠长期的研发技术积累、规模化的生产能力、稳定的产品质量和性能，二者与ABB、发那科、库卡、安川等国际工业机器人生产商合作历史悠久，在行业内的市场地位较为突出。

目前国内已有、中技克美等谐波减速器厂商实现量产。绿的谐波减速器产品的境外竞争对手主要是哈默纳科。相较于哈默纳科，绿的产品的性能、寿命已经基本达到的相同水平，并且发行人拥有更加完善的生产流程和更低的产品成本，在市场竞争中具备一定的优势。但由于四大家族与哈默纳科的合作非常紧密，且对于替换供应商比较谨慎，绿的虽然已成为其精密加工件的供应商，但谐波减速器一直在测试，没有下文，切入四大家族短期来看概率比较小。

哈默纳科和纳博特斯克分别在谐波减速器和RV减速器出货量上稳居国内市场份额第一。但从产品类型来看，技术难度相对较低的谐波减速器国产化进程相对明显。《工业机器人减速器市场分析与产业供需格局研究报告》显示，2018年，减速器在国内谐波减速器市场的占有率达到21%，仅次于哈默纳科（51%）。在诸如绿的谐波、来福谐波、南通振康等一系列优秀企业带领下，2018年谐波减速器国产化率已达到36%。随着国产技术不断升级，未来谐波减速器领域国产化率有望快速提升。

如下是招股书中大致测算的一个市占率情况，可以看出公司的市占率提升较快，截至目前来看产能规模都上去了，哈默纳科的营收处于下滑状态，市占率应该提升不少。

   从整个竞争格局来看，高性能的谐波减速器只有少数几家头部企业掌握着，如哈默纳科、新宝、绿的等，虽然还有其它的小厂家，但是机器人核心部件的地位不变，谐波的质量要求就不会变，不管有多少人做，价格拼杀到多么低，这个市场首先还是看质量，能生存到最后的一定也是因为质量好。这种背景下突破性能、寿命、稳定性门槛（而这些也是规模化的前提）的头部几家企业就能享受较高的利润空间。如绿的过往几年谐波减速器的毛利率一直维持在59%左右的高水平。售价上新宝和绿的处于一个类似的区间，左右，而哈默纳科资料显示差不多在5000左右的水平，但从上面哈默纳科的营收来判断其出售给四大家族的减速器应该也是处于一个远低于5000的价格。其余的厂家的竞争烈度就比较大，高投入下基本无法实现规模，还要应对价格战，几乎不怎么赚钱，未来这部分厂家无法突破壁垒就只能出清。

常规来说高毛利率的产品会有很多的资本和厂家趋之若鹜，但为什么近50年谐波减速器行业几乎是被日本垄断呢？壁垒是什么？我觉得其壁垒有以下几点：一、基础理论的壁垒，谐波减速器是建立在谐波传动的理论基础上。也存在着专利上的壁垒。如齿形设计都是最高端的理论知识。如绿的就是基于曲面几何映射的非共轭谐波啮合齿形设计方法，发明了全新的“P型齿”结构，与国外主流齿形技术路线实现了差异化，并大幅提升了谐波减速器的输出效率和承载扭矩。

二、材料上的壁垒，国内和日本在高端原材料上存在着较大的差距，如日本的合金钢等高端材料很少出口，日本本土的企业原材料基本拿来就能用，而像绿的需要自己对原材料进行二次处理才能达到相关标准要求。谐波减速器对材料的要求较高。这些都要求需要在材料选择和处理上需要有相应的储备。

三、在制造工艺上，需要有精密制造和检测设备（很多都是进口），在精密测量、精密切削、小模齿轮加工、薄壁金属零部件制造等每个环节上都需要比较高的质量和技术要求，缺一不可。

以上都是比较高的壁垒，量产后的稳定性也是需要不断的试验、迭代改进才能满足市场的需求。同时下游客户对于谐波减速器具有较高的客户粘性，像四大家族用了哈默纳科就很难换其他品牌，国内机器人大部分都是用的绿的，未来也一样很难切换成其它品牌。

      目前已经具备真正意义上PK哈默那科的实力，在价格、交期、服务上都具备明显的优势，整体技术上已经非常接近HD，在某些细分领域具有原创专利，并保持每年至少几款新产品发布。虽然目前在四大家族领域还是哈默纳科一家独大，但是在除四大家族外的领域，如协作机器人已经在不断蚕食哈默纳科的市场份额。

从成本端上来看，绿的的空间要有优于哈默纳科，如直接人工和制造费用还有望进一步降低。

     相对哈默纳科，绿的还有很多路要走，从产品性能、专利上及产品下游应用多样性上都还存在着较大的差距。截至本招股说明书签署日，公司及子公司共拥有 81项专利权，其中发明专利9项，实用新型专利72项。而哈默纳科95%为发明专利，专利数达到了138项，专利含金量很高。

未来成长的驱动力和态势

未来的成长驱动主要来自以下几点：

这里的国产替代其实有两层，一层是绿的的谐波减速器的替代，另一层是国内工业机器人的国产替代，如的SCARA机器人的国产替代。从增速上来看，国外厂家的增速最近都是比较低的状态，而国内机器人的增速是远高于国外企业的。这两层的国产替代都给绿的带来了更大的空间，未来整体市占率的趋势一定是绿的上升，哈默纳科下降的趋势，但会到怎么样的程度目前还无法判断。短期依托国有自主品牌进一步做大占有率，中期开拓更多的海外非四大家族的客户。

第二点是协作机器人的高速增长带来的市场空间。

协作机器人的增速要远高于工业机器人，工业机器人几乎是被四大家族把持，绿的切入概率较小，协作机器人提供了绿的追赶哈默纳科的途径。这一点届时可以关注年报中UR客户的营收增长情况，大概率是高增长状态。根据高工机器人研究所（GGII）发布的《2019年协作机器人行业发展蓝皮书》，2018年全球协作机器人销量占工业机器人市场5.6%，同比提升1.3%。预计 2019年全球协作机器人销量占比有望达到6.5%以上，2020年有望达到8%以上。预计到 2021年，全球协作机器人销量将达6.0万台。协作机器人的整体趋势不可逆。

协作机器人的谐波减速器用量是最多的。

第三点是规模效应带来的利润的提升。

19年的产能只有9万台，不仅对成本的分摊较大，且下游客户也会对其供货能力存在担忧而失去一些潜在订单。未来的产能将扩大至60万台，规模效应会比较显著。

产能的提升直接带来营收规模的扩大，根据分析来看未来产能消化不存在太大的问题，哈默纳科也还处于不断的扩产之中。下图是哈默纳科的产能计划。

第五点是未来机器替人的整体趋势；

在人工成本上升、人口红利消失的背景下，机器换人是未来的长期趋势，经过疫情推动，加速机器换人的进程。下游在衡量成本和效率之后对工业机器人的接受度会更高。这也是一个最长期有效的逻辑。

第六点是海外业务占比的提高，打开四大家族的口子，这比较困难，是一个远期的目标。美的私有化四大家族之一的库卡，未来库卡有望成绿的打开四大家族的第一个突破口。

第七点是纵向拓市场应用，横向拓产品线

近年来，公司在整个产业链上游不断横向延伸，除在谐波减速器领域内已经成为国内行业领军企业外，公司也凭借减速模组产品向伺服系统领域不断拓展，为下游本体制造和终端应用行业提供了更多、更全面的高性能的关键零部件产品。

在考虑未来成长驱动力的时候，其实大部分都是依托在产能之上的，这也是市场的共识。按达产59万台来测算，按未来行业的发展来看，消化的问题不大，过往的毛利率稳定，价格也相对稳定，就可以简单的进行测算，大致谐波的营收约为59*0.91*亿，按占比80%来测算，绿的的整体营收规模大致为10.7亿，净利润率为42%测算利润为4.5亿。届时按合理30~50倍估值来测算市值大致在135~225亿。目前市值为124亿。换句话说市场的共识其实已经反映在股价之中。未来的预期收益不高，这部分的赚钱的预期主要取决于产能投产的时间。根据过往公司透露的信息来看，22年预计产能会在35~40万台，23年预计会全部达产。那么如果投资绿的要赚钱的话，只能赚悲观情绪下的估值下杀后买入，或者赚市场共识之外的钱。第一点比较好理解，第二点就要继续思考绿的在市场共识之外还存在什么？当然公司也不是处于一个静止状态，在产能达产的期间公司也会出现一些其它的变化。

可以关注以下几点，但并是不确定性的，而是需要持续跟进。

产品开始进入到四大家族，目前来看对比哈默纳科主要还是商务上因素，HD比绿的价格高、毛利率低，不具备成本优势，更不可能发生价格战。

协作机器人的增长高于预期，比如达到50%的复合增长

非机器人领域的开展，根据公司机器人领域推谐波单品，非机器人领域推一体机的销售策略，后续可以关注一体机的营收情况。

公司子公司钧微研发的微型精密电液伺服产品预计于2022年发布，其主要的应用领域是能跑跳能负载的移动机器人(而非机械臂)，其未来市场空间将十分广阔，甚至不亚于汽车市场。研发团队中有国内该领域顶尖的教授，且已经研发了5-6年，公司对产品十分有信心，未来赶超的目标是美国莫格。这块未来可以关注下下游的拓展情况

公司自动化带来的成本改善高于预期，带来的毛利率和净利率的提升超预期。

发布过一款人体机器人的产品，可以观察未来是否会成为特斯拉一个重点发展的领域，如果是会对整个机器人行业带来极大的提振。

对于绿的的成长和估值是我比较纠结的地方，在细分市场往往会受制于行业空间或行业龙头的发展，会过的舒服，但市值要做大却很难，而且是A股很容易一下就把预期打满进一步压缩收益率，而且在这个领域还有一个垄断龙头哈默纳科的市值天花板在。

下游行业周期性波动的风险。

出现新的竞争对手对公司的毛利率带来降低风险。

未来出现新的传动技术对公司的冲击风险

公司上市时间不久，未来存在大股东减持的风险。

未来管理层的风险，从公司的股权和管理人员来看，很多都存在亲属的连带关系。

是否复合高价值的特征，目前处于什么成长阶段

公司复合高价值的特征，结合哈默纳科的发展历程和公司自身的发展情况来看，目前公司还处于成长中期偏前的位置。

在机器换人的大趋势背景下，且产品在行业中享受着非常好的竞争格局，短期看产能提升，国产替代和渗透率的提升，长期看有望跟着整体的大趋势持续成长。

绿的因为上市时间比较短，过往的估值并不能用来作为参考。但通过上面的分析我们可以判断绿的是一家值得给予估值溢价的公司。

这里我找了几家公司做一个对比，和算是同行业的，还有竞争对手哈默纳科，在机械行业里面翻了下几乎没有找到对比绿的的财务数据或者产品力的标的或者与绿的一样上市时间太短参考意义不强。这里我选择了行业外的三个标的，、这两者在财务数据上和行业地位上具有一定的对比性，还有一个是，虽然在财务上比绿的要差一些，但应流多年来聚焦在高端铸造领域，突破了航空发动机和燃气轮机高温合金热端部件、核能核电新材料及零部件核心技术瓶颈，这点与绿的可以进行一定程度上的对比。

绿的和以上公司的对比来看，首先要优于和，在估值上的溢价要远远高于这两者，从竞争格局、行业地位和经营指标上看，绿的在较为极端的市场环境中可以给予30+的最低估值水平。行业龙头哈默纳科截止目前的市值为204亿，而绿的目前的市值为124亿。差距好像不如行业地位这么明显，但也是由于汇率及哈默纳科本身的业绩影响，未来也不排除绿的在市值上追上哈默纳科的可能性，如果出现那种情况可能就是卖出的机会。

       绿的对应21年业绩估值为66倍，已经是把一部分的预期提前反映在股价上了。对应22年的估值预计在40~45倍左右，已经处于一个比较合理的水平，综合来看已经具备一定的投资价值，产能的底盘虽然已经反映预期，但大概率也能保证一个平庸的收益。未来的经营发展情况可以根据上文中的几个持续关注情况进行跟进，如果出现超预期的事件发生可能收益可能就不平庸。

       公司出过一版股权激励，激励要求很低，几乎就是白送了，当时股权激励授予价格为60元。但是仔细看其实这版计划的激励数量比较少，人员比较多，平均下来没人只有1300股的激励，算是普惠性的。

   以上仅为个人投资记录，不作为投资依据。分析不易，欢迎关注转发。

摘要：针对模块化机器人控制，提出一种基于FPGA的片上多核主控制器设计方案。利用SOPC技术在单一芯片上设计两个完全不同结构的核心：NiosII软核处理器和协处理器。详细介绍了机器人控制的路径规划流程、NiosII软核体系、协处理器的构架及接口以及基于SOPC的片上多核系统实现。实验结果验证了多核主控制器设计的可行性。

关键词：模块化机器人；多核控制器；协处理器；NiosII软核处理器

随着科技的进步，机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其发展趋势主要为结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、可配置化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化。机器人的内涵也已变为“灵活应用机器人技术的、具有实在动作功能的智能化系统”。近十几年来，FPGA行业也在飞速的发展，它在实际科研开发中的地位也从处理简单逻辑上升到了数字系统的核心处理器件。SOPC(可编程片上系统)技术的出现，使得将CPU核与设备核以及系统软件集成到单一芯片中成为可行，它能够帮助用户快速开发出所需要的产品。

本文结合实际项目以一个固定基座的单臂六自由度机器人作为研究对象，提出一种基于FPGA的模块化机器人嵌入式多核主控制器设计方案。

设机械臂初始和终止位姿分别记为：Xe0=[Pe0，ψe0]，Xef=[Pef，ψef]。要求机械臂末端手爪沿Xe0到Xef的直线路径运动，起点和终点分别为Pe0(x0．y0，z0，α0，β0，γ0)和Pef(xf，yf，zf，αf，βf，γf)，机器人手抓运行轨迹如图1所示。

由初始点和终止点坐标计算出首末端直线距离长度为：

对于一个路径段，由于两端的过渡域具有相同的持续时间，因而在这两个域中，采用相同的恒加速度值，只有符号相反，带抛物线过渡的线性插值如图2所示。

在求解加速度的基础上可以得出末端运行线速度，末端线速度分为加速段、匀速段和减速段，其具体表达式为：

在得到了线速度和角速度之后就可以通过雅克比矩阵得出各个关节的关节角速度，再乘以固定的时间即可得出在每一步的关节转角。

II是Altera公司的第二代用户可配置的通用32位RISC软核处理器，是Altera公司特有的基于通用FPGA架构的CPU软核。它具备完整的32位指令集、32位数据通道和地址空间；带有32个通用寄存器；支持32个外部中断源；单指令的32位与32位乘法和除法结果是32位；对于结果为64位或128位的乘法，提供专用指令；大多数指令可以在一个时钟周期内完成；带有单指令桶形移位寄存器；可以访问各种片上外设，提供与片外存储器和外设的接口；处理器性能超过200

Nios II是一个可配置的软核处理器，用户可以根据性能和成本的要求来增加或删减处理器的功能。Nios II处理器不像ARM那样是由固定的芯片来实现，而是采用IP核的方式实现的，可以配置在满足任何要求的AlteraFPGA器件中，因此，Nios II处理器给实际应用带来了很大的灵活性。只要芯片上有足够的空间，就可以不断进行升级而不用修改电路结构。另外，Nios II处理器作为一个标准的RISC处理器，具有执行标准的C源代码和程序的可移植性强等特点。

由于模块化机器人的控制需要进行大量复杂的三角函数运算以及矩阵运算，单一Nios II软核处理器在完成这些运算的同时并不能保证控制的快速性、实时性要求。因此本文设计一个专用的IP软核作为协处理器，用来进行各种机器人运动学的解算。

协处理器总体设计框架如图3所示。GDB、GAB、GCB分别表示外部的数据、地址和控制总线。协处理器主要包含输入／输出接口逻辑、机器人参数存储区、协处理器运算控制模块、运算处理模块、命令字寄存器、协处理器状态字寄存器和输入／输出FIFO构成。

在本设计中，协处理器作为一个I／O设备与主处理器之间连接，协处理器完全接受主处理器的调度和支配。由于机器人控制算法的调度与计算是一个周期性过程，因此采用I／O设备方式即可满足要求。采用此方式系统虽然增加了协处理器，但却没有增加复杂度，利于保证核心部件的可靠性且易于实现和管理，能够简化软件设计。针对该接口模式的设计，协处理器与主处理器之间的硬件接口结构框图如图4所示。

协处理器面向Nios II处理器接口分为参数区和寄存器区，通过写命令寄存器来识别。通常情况下，给出的CMD为正常计算模式，默认选择寄存器区；当需要对基本参数进行访问／修改时，给出的CMD为修改参数模式。其中寄存器区包括各类寄存器和输入输出FIFO。图4中各信号含义在表1内进行了介绍。

利用SOPC技术把Nios II软核、专用协处理器、存储器控制IP、CAN总线控制逻辑、内部计数器等全部集成到FPGA芯片上。基于SOPC的多核控制器的系统结构如图5所示。

整个分布式控制系统结构如图6所示，多核主控制器通过CAN总线与各关节控制器通信并对反馈信息进行处理，进行路径规划，下发关节角。各关节控制器采集电机当前角度信息并通过电机驱动模块控制电机运动。

实验系统包括基于FPGA的嵌入式多核主控制器、机器人关节控制器以及单臂六自由度机器人等。运动学正解运算性能时间对比如表2所列。在保证控制准确、有效的前提下分别采用单Nios II软核处理器与协处理器进行运动学正解运算。单Nios II软核处理的耗时约为2900

μs，而多核主控制器的协处理器只需要约10μs的时间。可以看出在相同系统时钟下，协处理器进行运动学正解比单Nios II软核处理器的效率提升了两个数量级。

表3列出了一个控制周期(多核主控制器采用路径规划算法控制机器人从空间中一点到下一点)内各阶段的处理时间，整个控制周期所需时间约为24．97 ms，比之前单独采用Nios II软核处理器控制的100ms节约了大概3／4的时间。而且，用于CAN总线通信及数据采集的部分(获取目标位姿与当前关节角、下发下一步关节角)所占用的时间为整个周期的76％。由此可以看出，该设计能极大地提高系统处理能力，并能够很好解决嵌入式控制器运算能力对模块化机器人控制系统的约束问题。

本文对基于FPGA的模块化机器人嵌入式多核主控制器进行了研究，重点讨论了路径规划方法，分析了NiosII软核体系结构；并对协处理器结构设计、片上结构设计做了详细介绍。最终实验结果也表明了该设计的可行性以及控制的快速性。在更改机器人结构的时候，只需要分析连杆坐标系，获得D-H参数并传递给协处理器，该多核主控制器仍能可靠有效地工作。

最早看到UR的机器人应该是在12年还是13年上海的工博会，当时一家代理商在靠墙的地方租了一个小柜台，很不起眼，但是第一次看这款机器人就觉得特别奇怪，这货不对称啊！

四五六轴和传统的排布不一样，四轴与五轴相比于传统机器人交换了位置，一轴电机倒置一轴和二轴处于同一高度，所以有较大的旋转半径。

比如ABB的IRB1200，一轴电机位于二轴的下方。四轴和六轴电机可以共线。当然1200所选的电机功率远大于UR5，所以尺寸也大一圈，二者定位不一样。

UR的关节采用模块化设计，凡是模块化设计则必然会在性能上有所牺牲，带来的受益则是更少的备件，更低的采购价格等等。对于人机协作类的机器人，其速度加速度性能本身就是受到限制的，所以牺牲一些性能并没有太大的关系。而反观工业机器人IRB1200，为了追求速度和加速度的极致，每一个尺寸，每一个关节的电机都要追求效率最大。

电机为科尔摩根的订制中空电机，定子为直接铸造为关节，除了几位说的节省空间外，还有个好处是便于散热，要知道电机的性能极限就在发热上了，如果谁能来一套水冷系统，电机超频妥妥的。盗用@

关于电机，有人说这是直流电机，有人说这是交流电机，其实都没错啦，如果从进线的角度来看，母线进的是直流电，如果从电机的结构上来看，其实和交流电机没有差别。这种中空的电机也会有一点缺憾，因此是传统机器人不用的原因，就是转动惯量会更大，但是UR嘛，协作机器人，性能可以牺牲点。

不管是UR,还是iiwa，接到墙上的总归是220VAC或者110VAC吧，交流变直流降压这件事还是要做的。UR把驱动器放到关节里了，一方面可以节省走线，另一方面母线电压低也是有好处的，比如安全，像UL1740里面就规定了绝缘耐压要达到使用电压的2倍再多一点，48V的两倍也不多么。

刹车UR选择了用一个电磁铁加一个钣金式的简单结构，这是一个省钱的方案，传统工业机器人，通常对刹车有比较高的响应，寿命，摩擦力要求。对于大负载的机器人，刹车是安全的保证，在出现意外紧急停止的时候，刹车是最后一道防线，不容有失。

邱博的一张图，邱博回头支付宝发我，我给你打钱哈。下图中的这个六个腿的钣金就是刹车盘，有一个电磁铁不用的时候就插在两条腿之间，机器人运动的时候，电磁铁就收起来。六腿钣金是跟着电机轴一起运动的。这种刹车也有一个好处，散热好。

传统机器人的刹车如下图，中间是键槽，电机轴从中间穿过。两个环之间是摩擦片，工作的时候，摩擦片松开，电机轴可以运转。这种刹车响应快，位置准，发热大........

使用这种六爪的刹车，对编码器也是有要求的。通常编码器有两大类，旋变和码盘。

旋变相当于几个线圈，通过线圈检测电机轴的位置，发出的信号为模拟量。码盘则是日本人用的比较多的东东，所发出的信号为数字量。码盘又分相对编码器，绝对式编码器。绝对式编码器，又分单圈绝对式和多圈绝对式。UR由于刹车并不是固定的，所以使用的是绝对式编码器。

减速器选的是HD，但具体是德国HD还是日本HD就不太清楚了。减速器也是中空的方案，毕竟走线方便。和中空电机一样的，中空减速器价格会贵很多，转动惯量也会变大。这方面没有太多可说的，毕竟HD是主流，spinia和leaddrive市场份额都不大。

走线算是亮点吧，中空走线在工业机器人上也比较常见，比如Fanuc就很喜欢用中空齿轮箱+电机偏置的方案。比如下面这几款，在多个关节使用了中空减速器。很有意思。但是电机中空的还是不多见。

为什么要中空走线呢？主要还是寿命问题，线缆在运动的时候需要有足够的空间，毕竟线的本质是铜丝。中空的走线在运动的时候是扭转运动，因此有比较好的寿命。如果你拆开一根电缆看看，你会发现铜丝本身都是扭在一起的。上图中间这款大机器人侧面的线缆，就是典型的机器人走线形式，线缆在运动的时候承受弯曲，关节的工作空间也受限制。

因为用了总线形式，以及驱动器放在关节，同时由于没有内置的气管，整个线缆的数量也非常省。

固定密封采用一种很细的o型圈

旋转密封貌似也是用一种弹性的圈，而非骨架油封之类的大尺寸。密封等级因此不会太高。

材料选择的是铝铸造件，从壁厚来看有可能选择的压铸铝，目前的版本中也并未使用铝型材。铝型材其实是个好东西，家里的门窗就是铝型材的。机器上，比如epson 的ls6使用的也是铝型材做结构件。

铝铸件基本上是中小型工业机器人常用的材料，结构上可以任意设计，只要能脱模就好。大型机器人和廉价机器人材料另说。

由于手头没有现成的UR可拆，以上信息基本来自于网络和手册，如有描述不准确的地方还请见谅。

关于评论中问题的讨论：

by 张昱：减速机用的是德国HD

by 黄宇：请问为什么六爪的刹车对编码器有特殊要求？

由于这种刹车不能把电机完全抱死，会在60度范围内活动。因此断电后机器人只能记住断电前的位置。

如果是相对式编码器，再开机前需要找一下初始位置，比较麻烦。

如果是单圈绝对式编码器，成本并不会太高，但是即使断电也不会丢位置。

所以推测是单圈绝对式编码器。

By 张伟：其实吧，旧的ur关节侧用的多z的增量编码器，可看作伪绝对的，新的ur改用了雷尼绍的磁式19bits单圈绝对编码器。