2023特斯拉Optimus发展现状及人形机器人国内产业链分析报告.pdf

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1、2023 年深度行业分析研究报告 目目 录录 1 AI 赋能机器人,具身智能发展正当时赋能机器人,具身智能发展正当时.1 1.1 机器人是 AI 落地的最佳载体.1 1.2 AI 大模型助力具身智能发展.3 2 特斯拉人形机器人特斯拉人形机器人 Optimus的的 AI赋能分析赋能分析.6 2.1 软硬件不断迭代升级,核心为优化成本和效率.6 2.2 AI 多次模拟,优化设计方案.7 2.3 FSD+Dojo 加持,提高机器人执行力.9 3 特斯拉人形机器人特斯拉人形机器人 Optimus的驱动方案分析的驱动方案分析.11 3.1 身体:14个旋转线性执行器+14 个线性执行器.11 3.2

2、灵巧手:12 个空心杯关节.14 4 人形机器人蓄势待发,为国内相关产业链带来机遇人形机器人蓄势待发,为国内相关产业链带来机遇.16 4.1 减速器:具有较高技术壁垒,机器人零部件核心赛道.16 4.2 无框力矩电机:可用于协作机器人关节,国内产品逐步系列化.18 4.3 空心杯电机:下游应用广泛,设计和规模量产为壁垒.19 4.4 丝杠:技术壁垒高,国产替代空间大.21 4.5 传感器:视觉和力控必不可少,精度和可靠性为关键.25 5 相关标的相关标的.29 5XiZfYiV9U9XNAeXqNbRdN8OsQnNtRtQeRqQoRlOmMoR6MoPqQvPmMvMMYoPqP图图 目目

3、 录录 图 1:人工智能和机器人的联系.1 图 2:AI 机器人/人形机器人可以分成五大部分.2 图 3:AI 机器人在完成任务时需要经历三层处理.2 图 4:人形机器人和大模型进展情况.4 图 5:RT-1 可以让一个机器人同时干多份工作.5 图 6:RT-1 可以完成一系列复杂组合任务.5 图 7:PaLM-E 可以手写菜单直接算出 2 份披萨的价格.5 图 8:PaLM-E 参数量达 5620亿(GPT-3 的参数量为 1750亿).5 图 9:SAM 支持多种交互方式分离识别物体.6 图 10:SAM 为一张图标记超过 500个遮罩.6 图 11:特斯拉人形机器人 Optimus 最新

4、样机.7 图 12:Optimus 摄像头方案为 7 个摄像头配置.7 图 13:特斯拉车辆碰撞模型有超过 3500 万个自由度.7 图 14:特斯拉工程师将车辆碰撞模型应用于机器人设计中.7 图 15:人体在低功耗的同时具有高度灵活性.8 图 16:通过 AI 仿真模型找到每个关节的最佳设计.8 图 17:AI 分析执行器云端数据进行共性研究,减少定制设计.8 图 18:6种执行器包括 3种旋转执行器和 3种线性执行器.8 图 19:FSD 能使车辆在各种交通环境下感知、决策和控制.9 图 20:机器人可以借助 FSD 算法将周围环境具像化.9 图 21:占据网络通过对 3D 空间内障碍物持

5、续监测来计算障碍物位置、大小、运动情况.9 图 22:FSD Beta 目前已拥有近 2亿英里自动驾驶数据.10 图 23:2021年超级计算机算力榜 Dojo位列第 6 名.10 图 24:特斯拉推特账号宣布将在 2023 年 7月开始生产 Dojo.10 图 25:Dojo 计算架构为 AI 路径规划提供算力支持.11 图 26:Dojo 可以训练 AI 解决新问题的能力.11 图 27:特斯拉人形机器人 Optimus 使用的 6 种执行器.11 图 28:特斯拉人形机器人 Optimus 身体 28个执行器.12 图 29:旋转执行器方案图示.13 图 30:线性执行器方案图示.13

6、图 31:机器人 Optimus 手的结构示意图.15 图 32:机器人 Optimus 手的结构示意图.15 图 33:2021年我国机器人用谐波减速器市场占比情况.18 图 34:2021年我国机器人用 RV 减速器市场占比情况.18 图 35:无框力矩电机示意图.19 图 36:无框力矩电机常用于协作机器人的关节.19 图 37:空心杯电机结构示意图.19 图 38:空心杯电机结构示意图.19 图 39:梯形螺纹丝杠、滚珠丝杠、行星滚柱丝杠结构示意图.21 图 40:全球和我国行星滚柱丝杠市场规模情况.23 图 41:2021年我国行星滚柱丝杠市场竞争格局.23 图 42:2016-20

7、21年全球滚珠丝杠市场规模 CAGR=10.2%.24 图 43:2016-2021年我国滚珠丝杠市场规模 CAGR=6.2%.24 图 44:3D 视觉三种原理示意图.26 图 45:2025年中国 3D 机器视觉市场空间将超过 57 亿元.26 图 46:毫米波雷达 CMOS 工艺大幅提高了芯片逻辑密度.27 图 47:我国毫米波雷达行业被国外企业占据绝对的主导地位(2022年).27 图 48:一个力可以被拆分成多个力和力矩之和.28 图 49:六维力传感器常被用于协作机器人末端.28 图 50:加速度计结构示意图.29 图 51:陀螺仪结构示意图.29 表表 目目 录录 表 1:各厂商

8、人形机器人汇总.2 表 2:特斯拉人形机器人 Optimus 身体 28 个执行器.12 表 3:特斯拉人形机器人 Optimus 身体核心零部件市场空间测算.14 表 4:特斯拉人形机器人 Optimus 手部核心零部件市场空间测算.16 表 5:三种精密行星减速器对比.17 表 6:谐波减速器和 RV 减速器在工业机器人领域的应用对比.17 表 7:精密减速器公司对比.18 表 8:生产无框力矩电机公司情况.19 表 9:空心杯电机特点.20 表 10:无刷空心杯电机和有刷空心杯电机的优缺点.20 表 11:生产空心杯电机公司情况.21 表 12:滚柱丝杠与滚珠丝杠的性能比较.22 表 1

9、3:轧制滚珠丝杠与磨制滚珠丝杠的比较.22 表 14:国内生产丝杠公司情况.24 表 15:3D 视觉三种原理的优缺点.25 表 16:惯性传感器三种分级比较.28 1 AI赋能机器人,具身智能发展正当时赋能机器人,具身智能发展正当时 1.1 机器人是机器人是 AI落地的最佳载体落地的最佳载体 具身智能(具身智能(Embodied Intelligence)是)是 AI进入物理世界进行交互的载体。进入物理世界进行交互的载体。根据智能程度,可以将机器人分为两类:非智能机器人和智能机器人;同时根据有无载体,也可以将人工智能分为两类:虚拟 AI和实体 AI。机器人与人工智能的交集,即:作为机器人与人

10、工智能的交集,即:作为 AI实物载体的智实物载体的智能机器人。能机器人。一般的工业机器人只能被编程为执行重复的一系列运动,所有的运动轨迹、位置、动作、力度都需要提前设定,更突出其“机器”属性,智能机器人则可以与外界交互,根据自身对外界的感知,决定完成任务的方式,并且可以在失败中不断学习进步,相较于非智能机器人的“机器”属性,智能机器人更像是“人”。图图 1:人工智能和机器人的联系人工智能和机器人的联系 数据来源:发那科官网、Open AI官网、特斯拉 AI Day、西南证券整理 AI 机器人可以分成五大部分。机器人可以分成五大部分。1)感知系统,相当于机器人的“五官”,)感知系统,相当于机器人

11、的“五官”,包括声音、光、温度、压力、定位、接触等传感器,用以将外部环境信号转换为机器人可以理解的信息或者数据;2)驱动系统,相当于机器人的“肌肉”,)驱动系统,相当于机器人的“肌肉”,电机驱动包括电机、减速器、编码器等;3)末端执行系统,相当于机器人的“手”,末端执行系统,相当于机器人的“手”,用以和外界环境进行交互;4)能源供应,)能源供应,电源或者电池;5)运算系统及软件,相当于机器人的“大脑”。)运算系统及软件,相当于机器人的“大脑”。AI 机器人在完成任务时需要经历三个层次。机器人在完成任务时需要经历三个层次。给到机器人一个任务时,机器人一般要经历三层信息处理:1)第一层是感知,理解

12、需求和环境第一层是感知,理解需求和环境。机器人通过传感器感知周围环境,并且识别到任务体在环境内所处的位置。2)第二层是规划,拆解成任务和路径规划第二层是规划,拆解成任务和路径规划,机器人理解任务之后,它需要将任务拆解成多个步骤,按顺序执行步骤达到完成任务的目标。3)第三层是执行,驱动硬件执行任务第三层是执行,驱动硬件执行任务,把运动规划转变成为机械指令,确定能量、动量、速度等参数,开始执行任务。非智能机器人无法对外界进行自主感知,需要人类计算出运动路径并设定运动参数,而智能机器人可以自主感知外界,并拆解任务、设计路径,最终完成任务。图图 2:AI 机器人机器人/人形机器人可以分成五大部分人形机

13、器人可以分成五大部分 图图 3:AI 机器人在完成任务时需要经历三层处理机器人在完成任务时需要经历三层处理 数据来源:特斯拉AI DAY,西南证券整理 数据来源:西南证券整理 人形机器人赛道迎来快速发展阶段。人形机器人赛道迎来快速发展阶段。进入到 21 世纪以来,以本田、波士顿动力为首的各大厂商纷纷布局人形机器人产品,但是受限于硬件和软件的成熟度,早期的人形机器人发展缓慢。在算法和硬件的不断进步中,人形机器人赛道也出现了很多“新面孔”,2022 年以来特斯拉、小米等各大厂商陆续推出了自己的人形机器人产品,尤其特斯拉以“量产”为目标,预计将推动整个行业迎来快速发展。表表 1:各厂商人形机器人汇总

14、:各厂商人形机器人汇总 厂商厂商 机器人型号机器人型号 发布时间发布时间 应用场景应用场景 参数参数 价格价格 图片图片 特斯拉(美国)Optimus 2022 年 工厂内基础性工作,未来进入家用 173cm,57kg,身体 28个关节(14直线+14旋转),手部 11个自由度 量产后预计售价 2 万美元 小米(中国)Cyber One 2022 年 家庭陪伴、公共服务 177cm,52kg,全身 13个关节,21 个自由度 造价 60-70 万 优必选(中国)Walker 2021 年 家庭、办公、智慧工厂、表演 130cm,63kg,全身 41个自由度(腿 6x2,臂 7x2,手 6x2,

15、颈 3)200 万 1X Technologies(挪威)EVE 2019 年 工厂保安、医护助理 186cm,83kg,下半身为轮式结构,不能跨越障碍 2019年以 140万元卖给了丰田研究所,目前价格未知 Engineered Arts(英国)Ameca 2021 年 家庭陪伴 187cm,49kg,全身 51个自由度,面部表情丰富,运动能力差 13.3 万美元 厂商厂商 机器人型号机器人型号 发布时间发布时间 应用场景应用场景 参数参数 价格价格 图片图片 Agility Robotics(美国)Digit 2019 年 物流仓储 155cm,42.2kg,全身 16个自由度,没有头部和

16、手部 25 万美元 软银(日本)Pepper 2014 年 机场、银行、酒店 100cm,28kg,全身 20个自由度,下半身为轮式结构,不能跨越障碍 已停产 波士顿动力(美国)Atlas 2018 年 救援 150cm,80kg,全身 28个自由度,没有头部和手部 190 万美元 本田(日本)Asimo 2000 年(初代)表演 130cm,48kg,全身 57个自由度 近 300 万美元 数据来源:西南证券整理 1.2 AI 大模型助力具身智能发展大模型助力具身智能发展 各大科技巨头纷纷推出各大科技巨头纷纷推出 AI大模型,有望解决人形机器人的通用性问题。大模型,有望解决人形机器人的通用性

17、问题。1950 年图灵首次提出具身智能的概念,此后几十年里,受制于落后的 AI 技术,具身智能并没有取得很大的进展。近年来随着硬件和软件算力的不断提升,各大公司相继推出 AI 大模型算法,包括Open AI的 GPT-4、谷歌的 RT-1、PaLM-E 等,有望解决机器人的通用性问题,具身智能迎来快速发展。图图 4:人形机器人和大模型进展情况:人形机器人和大模型进展情况 数据来源:西南证券整理 2022 年年 12 月,谷歌发布多任务模型月,谷歌发布多任务模型 Robotics Transformer 1(RT-1),用以大幅推进),用以大幅推进机器人总结、归纳、推理的能力。机器人总结、归纳、

18、推理的能力。RT-1 是一种多任务模型,可以标记机器人输入和输出动作以在运行时实现高效推理。训练模型使用的数据集涵盖 700多项任务的 13万个数据带点,使用 13 台机器人在 17 个月内收集而成。RT-1 可以显著改进机器人对新任务、环境和对象的零样本泛化,机器人执行从未做过的任务的成功率明显上升,对不同环境甚至有干扰的情况下的成功率也有上升;此外使用别的机器人数据来训练模型,使得自己机器人的执行任务的准确率得到提升。图图 5:RT-1 可以让一个机器人同时干多份工作可以让一个机器人同时干多份工作 图图 6:RT-1 可以完成一系列复杂组合任务可以完成一系列复杂组合任务 数据来源:新智元,

19、西南证券整理 数据来源:Robotics Transformer for Real-world Control at Scale,西南证券整理 2023 年年 3 月,谷歌和柏林工业大学共同发布可以用于机器人的多模态视觉语言模型月,谷歌和柏林工业大学共同发布可以用于机器人的多模态视觉语言模型PaLM-E,用视觉数据来增强其语言处理能力,可以,用视觉数据来增强其语言处理能力,可以指导机器人完成复杂的任务指导机器人完成复杂的任务。PaLM-E主要基于谷歌现有的 PaLM 大语言模型,并且加入了感知信息的能力,能让机器人真正“理解”任务,将看到的图像转化成可以理解的语言文本,从而做到在面对零样本新任

20、务时的“举一反三”。PaLM-E 无需对相关数据进行预处理或注释。图图 7:PaLM-E可以手写菜单直接算出可以手写菜单直接算出 2 份披萨的价格份披萨的价格 图图 8:PaLM-E参数量达参数量达 5620亿(亿(GPT-3 的参数量为的参数量为 1750亿)亿)数据来源:谷歌,西南证券整理 数据来源:谷歌,西南证券整理 2023 年年 4 月,月,Meta 发布了图像分割模型发布了图像分割模型 SAM。SAM 可以在不需要额外训练的情况下对不熟悉的对象和图像进行零样本泛化,从而“剪切”任何图像中的任何对象。在 SAM 发布之前,想把图像准确分割,需要人类手动分割后再交给机器人学习,这需要大

21、量专家进行高度专业化的工作,费时费力。SAM 使得机器人将所学到的分割图像进行细致标注,让机器人理解对象(Object)是什么,因此可以为任何图像或视频中的任何对象生成遮罩,即使是在训练中没有见过的对象。图图 9:SAM 支持多种交互方式分离识别物体支持多种交互方式分离识别物体 图图 10:SAM 为一张图标记超过为一张图标记超过 500 个遮罩个遮罩 数据来源:SAM官网,西南证券整理 数据来源:Segment Anything,西南证券整理 2 特斯拉人形机器人特斯拉人形机器人 Optimus 的的 AI赋能分析赋能分析 2.1 软硬件不断迭代升级,核心为优化成本和效率软硬件不断迭代升级,

22、核心为优化成本和效率 特斯拉人形机器人特斯拉人形机器人 Optimus问世,核心为优化成本和效率。问世,核心为优化成本和效率。2021 年 8 月,马斯克首次发布特斯拉人形机器人(Tesla Bot)计划,代号“擎天柱”(Optimus)。在 2022 年 9 月底举办的特斯拉 AI DAY上,马斯克公开了人形机器人 Optimus 原型机,人形机器人体重 73kg,静坐 100W 功耗,快走 500W 功耗,全身自由度 200+,手部自由度 27,搭载与特斯拉车辆相同的完全自动驾驶(FSD)大脑,2.3KWh 电池组(集成充电管理、传感器、冷却系统)可以满足一天的工作需要。特斯拉人形机器人的

23、核心为在满足功能的前提下降低成本和能耗,即尽可能减少零部件数量和每个元件的功耗,例如减少四肢的感应和线路。马斯克称特斯拉机器人有望在 3-5 年时间内交付,产量可以达到数百万台,价格可能不到 2 万美元。人形机器人人形机器人 Optimus软软硬件不断迭代升级。硬件不断迭代升级。2023 年 5 月特斯拉股东大会发布人形机器人 Optimus 最近进展,包括机器人走路、利用视觉感知周围的环境、手臂精确控制力道不打碎鸡蛋、手掌抓取线束等柔性物体、人类演示训练 AI、机器人修理机器人等场景,表明人形机器人 Optimus 的硬件和软件性能得到进一步提升。特斯拉人形机器人 Optimus 类似“汽车

24、立起来装上脚”,因此可以复用大量汽车相关技术进行迭代升级:1)感知系统感知系统:可采用和汽车类似的计算机视觉技术。根据最新的特斯拉股东大会,Optimus 摄像头方案为 7 个摄像头配置(前方 3 个,两侧各 1 个,下方各 1 个),通过不同方向上的摄像头观察到的点来确定位置,投射到向量空间,让机器人感知、识别并且理解周围环境。2)驱动系统:驱动系统:14 个旋转线性执行器+14 个线性执行器;3)末端执行系统末端执行系统:“灵巧手”共 12 个空心杯关节;4)能源供应能源供应:2.3KWh 电池组(集成充电管理、传感器、冷却系统);5)运算系统及软件运算系统及软件:搭载与特斯拉车辆相同的完

25、全自动驾驶(FSD)大脑,将 FSD 使用到的神经网络和模拟仿真训练技术迁移到机器人,唯一需要改变是训练数据集,通过处理视觉数据,做出决策,包括路径规划、路径记忆、环境互动、导航充电等。图图 11:特斯拉人形机器人:特斯拉人形机器人 Optimus 最新样机最新样机 图图 12:Optimus 摄像头方案为摄像头方案为 7个摄像头配置个摄像头配置 数据来源:特斯拉AI DAY,西南证券整理 数据来源:特斯拉股东大会,西南证券整理 2.2 AI 多次模拟,优化设计方案多次模拟,优化设计方案 车辆碰撞模型技术横向迁移,保护机器人的“大脑”。车辆碰撞模型技术横向迁移,保护机器人的“大脑”。2022

26、年 9 月,在特斯拉 AI Day上,技术人员展示了如何借助现有的 AI 碰撞模型对人形机器人部件排布进行优化。车辆碰撞模型会先记录一次实体碰撞时各个传感器的数据,然后将车辆数据和碰撞数据传入系统中,生成一份数据库,再由 AI将车辆拆分成超过 3500 个自由度,模拟上万次不同角度、力度的碰撞,最后将所有碰撞数据汇总,找到车辆现有构型的缺点并加以改进。工程师将此技术用于机器人部件排布设计,将重要部件放置在远离碰撞受损核心处,并将外壳设计成更能抵抗外力的形状,保证机器人即使意外摔倒也不会影响到躯干内的核心零部件。图图 13:特斯拉车辆碰撞模型有超过:特斯拉车辆碰撞模型有超过 3500 万个自由度

27、万个自由度 图图 14:特斯拉工程师:特斯拉工程师将车辆碰撞模型应用于机器人设计中将车辆碰撞模型应用于机器人设计中 数据来源:特斯拉AI DAY,西南证券整理 数据来源:特斯拉AI DAY,西南证券整理 AI 仿真模型寻找成本和效率的最佳组合。仿真模型寻找成本和效率的最佳组合。人类有超过 200 个自由度,手部 27 个自由度,同时快走功耗只有 500W,低功耗的同时又具有高度的灵活性。在设计机器人时,需要机器人在完成具体任务的情况下,尽可能降低成本,在运动能力和低成本间找到最佳平衡点。特斯拉为机器人设计了全身 28 个执行器(不含手部),用以完成 Pitch(绕 X轴旋转)、Yaw(绕Z轴旋

28、转)和 Roll(绕 Y轴旋转)等不同动作,再通过 AI仿真模型和实际验证,在低功耗、低成本和最轻质量的目标下,选取一个关节的最佳设计。图图 15:人体在低功耗的同时具有高度灵活性:人体在低功耗的同时具有高度灵活性 图图 16:通过:通过 AI 仿真模型找到每个关节的最佳设计仿真模型找到每个关节的最佳设计 数据来源:特斯拉AI DAY,西南证券整理 数据来源:特斯拉AI DAY,西南证券整理 提高零部件通用程度,将提高零部件通用程度,将 28 个关节简化为个关节简化为 6 种执行器。种执行器。特斯拉工程师使用多个场景模拟机器人的工作状态,计算出每种场景下执行器的消耗和质量,并将其抽象为一个点,

29、求解整个质点云的帕累托最优,得到可以满足多种使用场景的关节设计。经过 AI 的分析优化,将关节选型做到复用,最终实际的执行器减少到 6 种,包含 3 种规格的旋转执行器和 3 种规格的线性执行器。图图 17:AI 分析执行器云端数据进行共性研究,减少定制设计分析执行器云端数据进行共性研究,减少定制设计 图图 18:6 种执行器包括种执行器包括 3 种旋转执行器和种旋转执行器和 3种线性执行器种线性执行器 数据来源:特斯拉AI DAY,西南证券整理 数据来源:特斯拉AI DAY,西南证券整理 2.3 FSD+Dojo 加持,提高机器人执行力加持,提高机器人执行力 FSD 技术助力机器人感知世界。

30、技术助力机器人感知世界。FSD 算法是指特斯拉的全自动驾驶(Full Self-Driving)系统采用的算法,用以实现车辆自主导航和自动驾驶功能,让车辆能够在各种交通环境下进行感知、决策和控制。FSD 算法主要依赖神经网络和计算机视觉技术,通过处理和分析传感器获取的实时数据,提取有关道路、车辆、行人和障碍物的信息,实现环境识别功能。目前特斯拉已经打通 FSD 和机器人的底层模块,将 FSD 技术复用至机器人,在机器人感知、决策、控制方面起到重要作用。图图 19:FSD能使车辆在各种交通环境下感知、决策和控制能使车辆在各种交通环境下感知、决策和控制 图图 20:机器人可以借助:机器人可以借助

31、FSD算法将周围环境具像化算法将周围环境具像化 数据来源:特斯拉AI DAY,西南证券整理 数据来源:特斯拉AI DAY,西南证券整理 占据网络让机器人“擦亮”双眼。占据网络让机器人“擦亮”双眼。在感知层面,FSD 使用占据网络(Occupancy Network)对 3D 空间内的障碍物进行持续检测,来估计障碍物的位置、大小、运动情况。FSD 算法可以帮助机器人感知周围环境,识别物体、人和障碍物。图图 21:占据网络通过对占据网络通过对 3D空间内障碍物持续监测来计算障碍物位置、大小、运动情况空间内障碍物持续监测来计算障碍物位置、大小、运动情况 数据来源:特斯拉2023年股东大会、西南证券整

32、理 FSD 海量数据库可提供海量数据库可提供 AI学习所需要的数据基础。学习所需要的数据基础。AI训练需要大量数据作为底层支撑,而特斯拉的 FSD Beta 已在北美普及了超过 40 万台车辆,庞大的用户实测数据为 AI的训练提供了帮助。根据特斯拉股东大户展示的数据,FSD Beta 数据库目前拥有将近 2 亿英里(3.2亿千米)的自动驾驶数据,这将对后续机器人的 AI训练提供支持。图图 22:FSD Beta 目前已拥有近目前已拥有近 2 亿英里自动驾驶数据亿英里自动驾驶数据 数据来源:特斯拉2023年股东大会、西南证券整理 特斯拉超算特斯拉超算 Dojo有望在有望在 2024 年跻身世界前

33、五。年跻身世界前五。2023 年 6 月,Tesla AI公布了一张算力预期图:2023 年 7 月 Dojo 会正式投产,随后算力将进入快速增长期,2024 年 2 月 Dojo算力规模将进入全球前五,2024 年 10 月算力总规模将达到 100 Exa-Flops,相当于 30 万块英伟达 A100 显卡的算力总和。图图 23:2021年超级计算机算力榜年超级计算机算力榜 Dojo 位列第位列第 6名名 图图 24:特斯拉推特账号宣布将在:特斯拉推特账号宣布将在 2023 年年 7 月开始生产月开始生产 Dojo 数据来源:Clean Technica,西南证券整理 数据来源:Twitt

34、er,西南证券整理 Dojo 计算架构为训练机器人路径规划和执行提供算力支持。计算架构为训练机器人路径规划和执行提供算力支持。Dojo 能够处理海量的视频数据,不仅能够加速特斯拉 FSD 系统的迭代,还能为人形机器人 Optimus 提供算力支持。同时 Dojo 可以训练 AI解决零样本新问题的能力,如设定“搬起箱子”动作的程序后,面对斜侧箱子时,AI 会将动作拆分,使机器人在不转身的情况下拿起斜侧摆放的箱子。据 Dojo项目负责人介绍,Dojo 相比于业内其他芯片,同成本下性能提升 4 倍,同能耗下性能提高1.3 倍,占用空间节省 5 倍。图图 25:Dojo 计算架构为计算架构为 AI 路

35、路径规划提供算力支持径规划提供算力支持 图图 26:Dojo 可以训练可以训练 AI 解决新问题的能力解决新问题的能力 数据来源:特斯拉AI DAY,西南证券整理 数据来源:特斯拉AI DAY,西南证券整理 3 特斯拉人形机器人特斯拉人形机器人 Optimus 的驱动方案分析的驱动方案分析 3.1 身体:身体:14 个旋转线性执行器个旋转线性执行器+14个线性执行器个线性执行器 特斯拉人形机器人特斯拉人形机器人 Optimus采用电机驱动,身体拥有采用电机驱动,身体拥有 28个执行器,并且使用旋转执行个执行器,并且使用旋转执行器和线性执行器两种方案。器和线性执行器两种方案。1)基于无框力矩电机

36、)基于无框力矩电机+谐波减速器谐波减速器+力矩传感器力矩传感器+双编码器双编码器+交叉交叉滚子轴承滚子轴承+角接触球轴承的旋转执行器;角接触球轴承的旋转执行器;2)基于无框力矩电机)基于无框力矩电机+编码器编码器+行星滚柱丝杠行星滚柱丝杠+力传力传感器感器+深沟球轴承深沟球轴承+四点接触轴承的线性执行器。四点接触轴承的线性执行器。通过进行共性研究减少使用驱动器的种类,目前 Optimus 使用 6 种执行器,旋转和线性各 3 种,其中一款线性执行器可以举起 500 斤的钢琴。图图 27:特斯拉人形机器人:特斯拉人形机器人 Optimus 使用的使用的 6种执行器种执行器 数据来源:特斯拉AI

37、DAY,西南证券整理 身体拥有身体拥有 28个执行器,个执行器,14个旋转执行器个旋转执行器+14 个线性执行器。个线性执行器。分布如下:1)左臂左臂+右臂:右臂:7+7,其中肩部 3(2)个旋转执行器,肘部 1(2)个直线执行器,手腕 1(2)个旋转执行器+2(2)个直线执行器;2)左腿左腿+右腿:右腿:6+6,其中髋部 2(2)个旋转执行器+1(2)个线性执行器,膝盖 1(2)个线性执行器,脚踝 2(2)个线性执行器;3)腰部:腰部:2 个旋转执行器。表表 2:特斯拉人形机器人:特斯拉人形机器人 Optimus 身体身体 28个执行器个执行器 自由度自由度 旋转关节旋转关节 直线关节直线关

38、节 手臂 7(2)肩部 3(2)肘部/1(2)手腕 1(2)2(2)腰 2 2 腿部 6(2)髋部 2(2)1(2)膝盖 1(2)脚踝 2(2)合计合计 14 14 28 数据来源:特斯拉AI DAY,西南证券整理 图图 28:特斯拉人形机器人:特斯拉人形机器人 Optimus 身体身体 28 个执行器个执行器 数据来源:特斯拉AI DAY,西南证券整理 旋转执行器采用无框力矩电机旋转执行器采用无框力矩电机+谐波减速器谐波减速器+力矩传感器力矩传感器+双编码器双编码器+交叉滚子轴承交叉滚子轴承+角角接触球轴承的方案。接触球轴承的方案。1)无框力矩电机:无框力矩电机:使用特斯拉自主研发的永磁电机

39、(Bespoke Permanent Magnet Machine)。2)减速器:减速器:使用谐波减速器,结构简单,减速比大,传动精度和传动效率较高。3)位置传感器:位置传感器:使用两个,即双编码器,包括输入位置编码器、输出位置编码器。4)力矩传感器:力矩传感器:使用一个非接触式扭矩传感器。5)轴承:轴承:使用角接触轴承、交叉滚子轴承。图图 29:旋转执行器方案图示:旋转执行器方案图示 数据来源:特斯拉AI DAY,西南证券整理 线性执行器方案采用无框电机线性执行器方案采用无框电机+行星滚柱丝杠行星滚柱丝杠+力传感器力传感器+编码器编码器+深沟球轴承深沟球轴承+四点接四点接触球轴承的方案。触球

40、轴承的方案。1)电机:电机:使用特斯拉自主研发的永磁电机(Bespoke Permanent Magnet Machine)。2)丝杠:丝杠:使用行星滚柱丝杠(Planetary Rollers),具有较强刚性。3)编码器:编码器:使用一个位置传感器。4)力传感器:力传感器:由于丝杠没有反驱性,配置力传感器。5)轴承:轴承:使用深沟球轴承、四点接触球轴承。图图 30:线性执行器方案图示:线性执行器方案图示 数据来源:特斯拉AI DAY,西南证券整理 人形机器人 Optimus 身体核心零部件市场空间测算:1)谐波减速器:)谐波减速器:单台机器人谐波减速器数量为 14 个,单价从 2026 年的

41、 1300 元下降到 2030 年 600 元,2030 年乐观/中性/悲观情景下市场空间分别为 168/126/67 亿元;2)行星滚柱丝杠:)行星滚柱丝杠:单台机器人行星滚柱丝杠数量为 14 个,单价从 2026 年的 4000 元下降到 2030 年 2000 元,2030 年乐观/中性/悲观情景下市场空间分别为 560/420/224 亿元;3)伺服电机:)伺服电机:单台机器人伺服电机数量为 28 个,单价从 2026 年的 500 元下降到 2030 年 300 元,2030 年乐观/中性/悲观情景下市场空间分别为 168/126/67 亿元。表表 3:特斯拉人形机器人:特斯拉人形机

42、器人 Optimus 身体核心零部件市场空间测算身体核心零部件市场空间测算 2026E 2027E 2028E 2029E 2030E Optimus 出货量出货量 乐观(万台)乐观(万台)10 50 100 150 200 中性(万台)中性(万台)5 25 50 100 150 悲观(万台)悲观(万台)2 10 20 50 80 谐波减速器谐波减速器 市场空间测算市场空间测算 单价(元)1300 1100 900 700 600 单台机器人谐波减速器数量(个)14 14 14 14 14 乐观(亿元)乐观(亿元)18 77 126 147 168 中性(亿元)中性(亿元)9 39 63 98

43、 126 悲观(亿元)悲观(亿元)4 15 25 49 67 行星滚柱丝杠行星滚柱丝杠 市场空间测算市场空间测算 单价(元)4000 3500 3000 2500 2000 单台机器人行星滚柱丝杠数量(个)14 14 14 14 14 乐观(亿元)乐观(亿元)56 245 420 525 560 中性(亿元)中性(亿元)28 123 210 350 420 悲观(亿元)悲观(亿元)11 49 84 175 224 伺服电机市场伺服电机市场 空间测算空间测算 单价(元)500 450 400 350 300 单台机器人伺服电机数量(个)28 28 28 28 28 乐观(亿元)乐观(亿元)14

44、63 112 147 168 中性(亿元)中性(亿元)7 32 56 98 126 悲观(亿元)悲观(亿元)3 13 22 49 67 数据来源:特斯拉AI DAY,西南证券整理 3.2 灵巧手:灵巧手:12 个空心杯关节个空心杯关节 Optimus 手掌采用空心杯电机手掌采用空心杯电机+微型行星齿轮箱微型行星齿轮箱+绳驱绳驱+蜗轮蜗杆蜗轮蜗杆+力传感器的方案。力传感器的方案。机器人 Optimus 一只手掌拥有 6(2)个执行器(大拇指 2 个,其余各 1 个),11 个自由度(大拇指内转+屈伸共 3 个自由度,其余屈伸各 2 个自由度),能够负荷 20 磅。1)空心杯电空心杯电机:机:拥有

45、功率密度高、体积小、无齿槽效应等优势,一般和微型行星齿轮箱配套。2)绳驱:绳驱:绳驱(tendon-driven)可以理解为,电机通过收缩金属线来控制手指的弯曲,驱动拉紧金属线手指握住,电机驱动松开金属线弹簧使得手指张开。绳驱结构的优势在于能够实现消隙,消隙的带来的好处是让手指在运动时更加连贯,缺点在于不耐用。3)蜗轮蜗杆:蜗轮蜗杆:蜗轮蜗杆结构具有自锁性,即蜗杆可以轻易转动蜗轮,但蜗轮无法转动蜗杆(这是因为蜗轮蜗杆的结构和传动是通过摩擦实现造成的)。蜗轮蜗杆的这种自锁性使得机器人能够在不打开手的情况下能够进行活动,具体体现为电机驱动使得手握紧锁止。4)传感器:传感器:由于没有反驱性,因此需配

46、置力传感器。图图 31:机器人:机器人 Optimus 手的结构示意图手的结构示意图 数据来源:特斯拉AI DAY,西南证券整理 图图 32:机器人:机器人 Optimus 手的结构示意图手的结构示意图 数据来源:特斯拉AI DAY,西南证券整理 人形机器人 Optimus 手部核心零部件市场空间测算:1)空心杯电机:)空心杯电机:单台机器空心杯电机数量为 12 个,单价从 2026 年的 1000 元下降到 2030 年 400 元,2030 年乐观/中性/悲观情景下市场空间分别为 96/72/38 亿元;2)微型行星齿轮箱:)微型行星齿轮箱:单台机器人行星滚柱丝杠数量为 12 个,单价从

47、2026 年的 400 元下降到 2030 年 200 元,2030 年乐观/中性/悲观情景下市场空间分别为 48/36/19 亿元。表表 4:特斯拉人形机器人:特斯拉人形机器人 Optimus 手部核心零部件市场空间测算手部核心零部件市场空间测算 2026E 2027E 2028E 2029E 2030E Optimus 出货量出货量 乐观(万台)乐观(万台)10 50 100 150 200 中性(万台)中性(万台)5 25 50 100 150 悲观(万台)悲观(万台)2 10 20 50 80 空心杯电机空心杯电机 市场空间测算市场空间测算 单价(元)1000 800 600 500

48、400 单台机器人空心杯电机数量(个)12 12 12 12 12 乐观(亿元)乐观(亿元)12 48 72 90 96 中性(亿元)中性(亿元)6 24 36 60 72 悲观(亿元)悲观(亿元)2 10 14 30 38 微型行星齿轮箱微型行星齿轮箱 市场空间测算市场空间测算 单价(元)400 350 300 250 200 单台机器人微型行星齿轮箱数量(个)12 12 12 12 12 乐观(亿元)乐观(亿元)5 21 36 45 48 中性(亿元)中性(亿元)2 11 18 30 36 悲观(亿元)悲观(亿元)1 4 7 15 19 数据来源:特斯拉AI DAY,西南证券整理 4 人形

49、机器人蓄势待发,为国内相关产业链带来机遇人形机器人蓄势待发,为国内相关产业链带来机遇 4.1 减速器:具有较高技术壁垒,机器人零部件核心赛道减速器:具有较高技术壁垒,机器人零部件核心赛道 精密减速器主要用于机器人各个关节,负责将伺服电机输出的高速运转动力转化为低转精密减速器主要用于机器人各个关节,负责将伺服电机输出的高速运转动力转化为低转速、高转矩的运动,决定机器人的精度和负载。速、高转矩的运动,决定机器人的精度和负载。一般传动减速器控制精度低,可满足机械设备基本的动力传动需求。精密减速器精度较高、使用寿命长,更加可靠稳定,应用于机器人、数控机床等高端领域,包括谐波减速器、RV 减速器、行星减

50、速器等,其中应用最广泛的是用于重负载转传动的 RV 减速器和用于轻负载传动的谐波减速器。行星减速器结构简单,减速比较低。行星减速器结构简单,减速比较低。精密行星减速器体积比较小,结构较为简单,主要包括行星轮、太阳轮和内齿圈。精密行星减速器传动比都在 10 以内,且减速级数一般不会超过 3 级,相较于其他减速器启动更加平稳,且刚性、精度和扭矩高,主要搭配步进电机和伺服电机,用以降低转速,提升扭矩。谐波减速器结构简单,减速比大,传动精度和传动效率较高。谐波减速器结构简单,减速比大,传动精度和传动效率较高。谐波减速器主要由 3 个基本部件构成:刚轮、柔轮、谐波发生器,通过具有柔性的薄壁外齿齿轮产生弹

51、性变形后与刚性的内齿轮进行内啮合来实现传动。RV 减速器结构较为复杂,承载能力强,传动精度高。减速器结构较为复杂,承载能力强,传动精度高。RV减速器是以摆线针轮行星传动为基础发展而来的。RV 减速器主要包括两级传动装置,分别为渐开线行星齿轮传动和摆线针轮行星传动。表表 5:三种精密行星减速器对比:三种精密行星减速器对比 减速器类型减速器类型 结构示意图结构示意图 组成部分组成部分 优点优点 缺点缺点 RV 减速器 行星齿轮减速器的前级,摆线针轮减速器的后级 体积小、质量轻、传动比范围大、寿命长、精度保持稳定、效率高、传动平稳 结构复杂,加工难度大,价格贵,产品尺寸受限制,不能做到太小 谐波减速

52、器 波发生器、柔轮、钢轮 运动精度高,传动比大,较小的传动惯量,在同等输出力矩时,体积可以缩小到其他减速器的 1/3,重量缩减1/2 柔轮每转发生两次椭圆变形,容易引起材料的疲劳损坏,损耗功率大,同时,回程误差,不具有自锁功能 行星减速器 行星轮、太阳轮、外齿圈 结构简单、高刚性、高精度(单级可以做到1弧分以内)、高传动效率(单级可以做到98%)、高的扭矩/体积比 一级传动减速比偏低 数据来源:哈工创投,绿的谐波招股说明书,ABB工业机器人应用技术全集,西南证券整理 谐波减速器主要用于轻负载部位,谐波减速器主要用于轻负载部位,RV 减速器主要用于重负载部位。减速器主要用于重负载部位。谐波减速器

53、具有单级传动比大、体积小、质量小、运动精度高并能在密闭空间和介质辐射的工况下正常工作的优点,与一般减速器比较,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,这使其在机器人小臂、腕部、手部等部件具有较强优势。RV 减速器传动比范围大、精度较为稳定、疲劳强度较高,并具有更高的刚性和扭矩承载能力,在机器人大臂、机座等重负载部位拥有优势。表表 6:谐波减速器和:谐波减速器和 RV 减速器在工业机器人领域的应用对比减速器在工业机器人领域的应用对比 项目项目 RV 减速器减速器 谐波减速器谐波减速器 技术特点 通过多级减速实现传动,一般由行星齿轮减速器的前级和摆线针轮减速器的后级组成

54、,组成的零部件较多。通过柔轮的弹性变形传递运动,主要由柔轮、刚轮、波发生器三个核心零部件组成。与 RV 及其他精密减速器相比,谐波减速器使用的材料、体积及重量大幅度下降。产品性能 大体积、高负载能力和高刚度 体积小、传动比高、精密度高 应用场景 一般应用于多关节机器人中机座、大臂、肩部等重负载的位置。主要应用于机器人小臂、腕部或手部。终端领域 汽车、运输、港口码头等行业中通常使用配有 RV 减速器的重负载机器人。3C、半导体、食品、注塑、模具、医疗等行业中通常使用由谐波减速器组成的 30kg负载以下的机器人。价格区间 5000-8000 元/台 1000-5000 元/台 数据来源:绿的谐波招

55、股说明书,西南证券整理 日本哈默纳科和纳博特斯克市占率领先,国产厂商快速追赶。日本哈默纳科和纳博特斯克市占率领先,国产厂商快速追赶。哈默纳科谐波减速器全球市占率在 70%,国产谐波减速器企业主要包括绿的谐波、来福谐波等,根据 GGII,2021 年我国机器人用谐波减速器市场中,哈默纳科市占率约为 35%,其次为绿的谐波,市占率约为25%,第三为来福,市占率为 8%。纳博特斯克 RV 减速器全球市占率在 60%,国产 RV 减速器企业主要包括双环、珠海飞马、中大力德、南通振康等;2021 年我国机器人用 RV 减速器市场中,纳博特斯克市占率约为 52%,其次为双环传动,市占率约为 15%,第三为

56、日本住友,市占率为 5%,其次珠海飞马和中大力德市占率分别在 4%左右。国产减速器厂商技术水平不断接近海外龙头,凭借成本与交付周期优势,正在加速实现国产替代。图图 33:2021年我国机器人用谐波减速器市场占比情况年我国机器人用谐波减速器市场占比情况 图图 34:2021年我国机器人用年我国机器人用 RV 减速器市场占比情况减速器市场占比情况 数据来源:GGII,西南证券整理 数据来源:GGII,西南证券整理 表表 7:精密减速器公司对比:精密减速器公司对比 公司公司 产品产品 产能产能 收入规模收入规模 绿的谐波 谐波减速器 2022 年产能 60万台,定增规划100万台 2022 年 4.

57、46 亿元 国茂股份 谐波减速器 2022 年产能 3万台 千万级 双环传动 RV 减速器 2022 年产能 10-12 万台,2023年中15 万台左右 1 亿元+秦川机床 RV 减速器 2022 年产能 6-9万台 千万级 中大力德 RV 减速器 2022 年产能 6-8万台 千万级 谐波减速器 2022 年产能 5万台 数据来源:公司公告,公司调研,西南证券整理 4.2无框力矩电机:可用于协作机器人关节,国内产品逐步系列化无框力矩电机:可用于协作机器人关节,国内产品逐步系列化 力矩电机是以扭矩为控制方向的电机。力矩电机是以扭矩为控制方向的电机。力矩电机是一种极数较多的特种电机,可以在电机

58、低速甚至堵转(即转子无法转动)时仍能持续运转,不会造成电机的损坏。而在这种工作模式下,电机可以提供稳定的力矩给负载。力矩电机具有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快、特性线性度好、力矩波动小等特点。无框力矩电机能够在满足机器人尺寸和重量要求的同时实现高功率和高转矩密度无框力矩电机能够在满足机器人尺寸和重量要求的同时实现高功率和高转矩密度。无框为结构上省去了电机的外壳,使得电机更好嵌入。与有框电机相比,无框电机的优势包括更高的转矩密度、更强的散热能力、以及针对定制系统的灵活性。将无框电机的定子和转子直接集成到支撑传动组件的轴承系统,可以在很大程度缩小关节组件的尺寸,并消除冗余部件,例如可以消除支撑

59、转子的轴承以及联轴器,带来更少的维护成本。目前无框力矩电机常用于协作机器人的关节。目前能够提供无框力矩电机的公司包括美国科尔摩根、国内的步科股份、昊志机电等。哈默纳科哈默纳科 绿的绿的 来福来福 新宝新宝 同川同川 福德福德 大族大族 其他其他 Nab 环动环动 住友住友 珠海飞马珠海飞马 中大力德中大力德 南通振康南通振康 智同智同 秦川秦川 其他其他 图图 35:无框力矩电机示意图:无框力矩电机示意图 图图 36:无框力矩电机常用于协作机器人的关节:无框力矩电机常用于协作机器人的关节 数据来源:科尔摩根,西南证券整理 数据来源:奕步电机,精谷智能,西南证券整理 表表 8:生产无框力矩电机公

60、司情况:生产无框力矩电机公司情况 公司公司 产品图示产品图示 介绍介绍 科尔摩根 科尔摩根在运动控制领域拥有100多年的经验,提供高性能、可靠的电机、驱动器、线性执行器、减速机、AGV 控制解决方案和自动化平台。产品系列包括 TBM 2G 无框力矩电机、KBM 无框伺服/力矩电机等。步科股份 2016年步科首代无框电机上市,接着突破了设计和工艺极限创造了国内市场上多槽分瓣式结构,极大提高了槽满率,降低了温升;推出第二代无框力矩电机,基于 18槽的灌封工艺属于首创;2022 年推出了第三代无框力矩电机 FMC 系列,能够用于关节电机/四足执行器/轮毂/手术机器人等。昊志机电 公司开发的无框力钜电

61、机,具有以下特点:(1)转矩波动1%,更利于机器人力矩控制;(2)3.5 倍过载能力,使得机器人负载能力大大加强。主要应用于协作机器人和轻型机器人。数据来源:公司公告,西南证券整理 4.3 空心杯电机:下游应用广泛,设计和规模量产为壁垒空心杯电机:下游应用广泛,设计和规模量产为壁垒 空心杯电机:空心杯电机:结构上突破了传统电机的转子结构形式,采用的是无铁芯转子(空心杯型转子),彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗,同时其重量和转动惯量大幅降低,从而减少了转子自身的机械能损耗,电机性能得到极大改善,节能、具备了铁芯电动机所无法达到的控制和拖动特性。图图 37:空心杯电机结构示意图:空心杯电

62、机结构示意图 图图 38:空心杯电机结构示意图:空心杯电机结构示意图 数据来源:万泰电机,西南证券整理 数据来源:鸣志电器官网,西南证券整理 表表 9:空心杯电机特点:空心杯电机特点 空心杯电机特点空心杯电机特点 优势优势 无齿槽效应 低速运行平稳 低振动,低噪音 转子可控制在任意位置 结构紧凑 磁路设计更优 功率密度更高 温升低,效率高 低电感 高动态响应 高加速度 数据来源:鸣志电器官网,西南证券整理 空心杯电机分为无刷空心杯电机和有刷空心杯电机。(空心杯电机分为无刷空心杯电机和有刷空心杯电机。(1)无刷空心杯电机:)无刷空心杯电机:直流无刷无齿槽电机,行业内通常称为“无刷空心杯”。通过电

63、子换向,寿命更长。(2)有刷空心杯电)有刷空心杯电机:机:直流有刷无铁芯电机,行业内通常称为“空心杯,”一般来说,国内的“空心杯电机”指有刷,通过机械换向。表表 10:无刷空心杯电机和有刷空心杯电机的优缺点:无刷空心杯电机和有刷空心杯电机的优缺点 无刷空心杯电机无刷空心杯电机 有刷空心杯电机有刷空心杯电机 长寿命(长寿命(10000h+)电机寿命受限(1000-3000h)高转速高转速 电机转速受限 电磁干扰可忽略电磁干扰可忽略 有火花 有铁损 无铁损无铁损 需要驱动控制 控制简单控制简单 数据来源:鸣志电器官网,西南证券整理 空心杯电机应用广泛,包括医疗器械、航空航天、机器人等领域。空心杯电

64、机应用广泛,包括医疗器械、航空航天、机器人等领域。1)需要快速响应的系统中,如导弹的飞行方向快速调节、相机快速自动调焦、工业机器人仿生义肢等。2)对有体积有要求的商品采用空心杯电机作为动力元件,比如玩具车、航模、电动牙刷等。空心杯电机的壁垒在于设计和规模量产。空心杯电机的壁垒在于设计和规模量产。目前能够提供空心杯电机的公司包括瑞士MAXON、德国 Faulhaber,国内鸣志电器、鼎智科技等。根据江苏雷利 2023 年 3 月 1 日披露的投资者调研纪要,无刷空心杯电机全球市占率龙头为瑞士 MAXON 以及德国 Faulhaber,两家企业销售的空心杯电机+齿轮箱+编码器集成件年销售额约 32

65、 亿欧元,产品主要面向军工和工业市场。空心杯电机的壁垒在于设计和规模量产,设计壁垒主要体现在材料选择、组件配合、工艺参数等方面,硬件壁垒主要体现在设备较高的资金投入与较长的采购周期,且对加工设备的精密程度要求高,国内大多厂商采用手工绕线的方式生产,在生产效率、产品寿命、精度方面存在劣势。表表 11:生产空心杯电机公司情况:生产空心杯电机公司情况 公司公司 产品图示产品图示 介绍介绍 瑞士 MAXON 公司成立于 1961年,全球约有 3300名员工,产品包括无刷和有刷 DC电机、行星齿轮箱、正齿轮箱、特殊齿轮箱、传感器、编码器、伺服放大器、位置控制器、CIM和 MIM组件等,产量 5百万件,约

66、 12000个品种,主要市场面向医疗技术、工业自动化安防技术、检测技术、通讯、汽车工业、生活消费品、航空航天,2022年营收7.08亿瑞士法郎。德国 Faulhaber 公司成立于 1947年,全球 2300多名员工,产品包括直流电机、直流无刷电机、驱动单元、步进电机、直线电机等,实现面向航空航天、工业自动化、实验室自动化、医疗、计量和测试、电动手持设备、光学、机器人等领域。鸣志电器 公司成立于 1994年,掌握了混合步进电机、永磁步进电机、线性电机、伺服电机、直流无刷电机、无刷无槽电机、电机驱动与集成、电动滑台、智能 LED调光、LED智能控制与驱动、大型设备管理与故障诊断等核心技术。鼎智科

67、技 公司成立于2008年,位于江苏省常州市,下游 70%为医疗、30%为工业自动化。数据来源:公司公告,西南证券整理 4.4 丝杠:技术壁垒高,国产替代空间大丝杠:技术壁垒高,国产替代空间大 丝杠能够将旋转运动转化为直线运动,分为梯形螺纹丝杠、滚珠丝杠、行星滚柱丝杠丝杠能够将旋转运动转化为直线运动,分为梯形螺纹丝杠、滚珠丝杠、行星滚柱丝杠。在机械传动领域,丝杠传动属于精密度较高的传动部件,相较于液压、凸轮连杆、皮带、链条等传动方式,丝杠有着较大的性能优势。常见的丝杠传动形式主要有梯形丝杠传动、滚珠丝杠传动和行星滚柱丝杠传动三种。梯形丝杠中无滚动体,靠滑动摩擦传递推力,传动效率较低;目前较常用的

68、是滚珠丝杠传动和行星滚柱丝杠传动,行星滚柱丝杠与滚珠丝杠的结构相似,区别在于行星滚柱丝杠载荷传递元件为螺纹滚柱,是典型的线接触,属于滑动摩擦,而滚珠丝杠载荷传递元件为滚珠,是点接触,属于滚动摩擦。和滚珠丝杠相比,行星滚柱丝杠具有更高的静态负载和动态负载、更强的刚度和抗冲击能力及更高的转速及更大的加速度,适合用于高速重载工作的应用场合。图图 39:梯形螺纹丝杠、滚珠丝杠、行星滚柱丝杠结构示意图:梯形螺纹丝杠、滚珠丝杠、行星滚柱丝杠结构示意图 数据来源:米思米,西南证券整理 表表 12:滚柱丝杠与滚珠丝杠的性能比较:滚柱丝杠与滚珠丝杠的性能比较 类别类别 滚柱丝杠滚柱丝杠 滚珠丝杠滚珠丝杠 滚动体

69、 滚动体为滚柱 滚动体为滚珠 承载力 承载力更大,是同尺寸滚珠丝杠的 3-6 倍 承载力较小 抗冲击能力 抗冲击能力强 抗冲击能力较弱 精度 精度高,最低为 G5 精度低,最低为 G9 使用寿命 使用寿命长 使用寿命较短 维护费用 维护费用更低 维护费用相对高 可靠性 可靠性更高 可靠性较低 尺寸范围 尺寸范围更广,最大直径可达 210mm 尺寸范围较小 接触面积与接触点比较 表面面积更大,且接触点更多 表面面积更小,且接触点更少 数据来源:斯凯孚,西南证券整理 丝杠从生产工艺角度区分为轧制丝杠和研磨丝杠。丝杠从生产工艺角度区分为轧制丝杠和研磨丝杠。研磨丝杠的优点在于运动精度高、负载能力强、使

70、用寿命长,但缺点是加工时间长、制造成本高;轧制丝杠中轧制工艺的核心是采用辊轧的方法对中心螺杆进行成型,相比研磨工艺来说成型速度快、制造成本低,但是轧制精度低、负载能力弱、使用寿命低,比较适合于对设备性能和使用寿命要求不高的应用场景,比如中等载荷压力机械、娱乐模拟器等。表表 13:轧制滚珠丝杠与磨制滚珠丝杠的比较:轧制滚珠丝杠与磨制滚珠丝杠的比较 类别类别 轧制滚珠丝杠轧制滚珠丝杠 磨制滚珠丝杠磨制滚珠丝杠 工艺 采用滚丝机轧制工艺一次滚压成型,交货期快捷,价格低廉。采用复杂的加工工艺,最后磨削工艺保证加工精度,交货期缓慢,价格高。精度等级 C7,C8,C10(德国力士乐可以达到 C5)C0,C

71、1,C2,C3,C4,C5 导程误差 0.05mm 4um-23um 轴向间隙 0.05-0.17mm(根据直径变化),可以预紧减少间隙 0.01-0.03mm(根据直径变化),可以预紧减少间隙 直径范围 12-50mm 6-150mm 导程范围 4-40mm 4-40mm DN值(丝杠直径 x 输入转速)小于 50000 小于 70000 噪音 噪音指标偏高,适合低速转动,输入转速低于 900rpm为佳 噪音指标低,适合中高速转动 交货期 2-3 周,不能非标制造螺母,否则交货期长 3 个月以上,可以非标制造螺母丝杠等 数据来源:力士乐_力士乐滚珠丝杠如何选型,西南证券整理 全球行星滚柱丝杠

72、市场规模约全球行星滚柱丝杠市场规模约 6.5 亿元,我国约亿元,我国约 1.1 亿元。亿元。根据论文E 公司滚柱丝杠产品营销策略研究_王有雪,由于设计和制造工艺的限制,目前全世界市场上所有丝杠产品中滚柱丝杠只占有 5%的销售额(按金额)和 1%的销售量(按数量)。IHS Market 在 2019年发布的针对直线传动产品的市场研究报告中包含了对于滚柱丝杠产品的市场预测,预计2022 年全球滚柱丝杠销售数量达到 86000 根,销售额达到 6.5 亿元,预计 2022 年我国滚柱丝杠销售数量达到 10000 根,销售额达到 1.1 亿元。行星滚柱丝杠国产化率较低,在性能上和国外有较大差距行星滚柱

73、丝杠国产化率较低,在性能上和国外有较大差距。目前世界范围内生产滚柱丝杠并参与市场竞争的厂家主要有:Rollvis(瑞士)、GSA(瑞士)、Rexroth(德国)、SKF(瑞典)、CMC(美国)、南京工艺(中国)、济宁博特(中国)、优仕特(中国台湾)。除这些品牌外,Moog(美国)、Power Jacks(英国)也有生产滚柱丝杠的能力,但产品不外销,主要用于自身生产的电动缸等产品。根据文 E 公司滚柱丝杠产品营销策略研究_王有雪,2021年我国行星滚柱丝杠排名前三的分别是 Rollvis(瑞士)、GSA(瑞士)、Rexroth(德国),市占率分别为 28%、28%、14%。目前大负载、高可靠性的

74、行星滚柱丝杠及采用行星滚柱丝杠的电动缸基本依靠进口,行星滚柱丝杠亟需国产化,国产品牌性能与国外产品差距较大,主要体现在效率、承载能力和精度上,并需具备批量生产及产业化能力。图图 40:全球和我国行星:全球和我国行星滚柱丝杠市场规模情况滚柱丝杠市场规模情况 图图 41:2021年我国行星滚柱丝杠市场竞争格局年我国行星滚柱丝杠市场竞争格局 数据来源:E公司滚柱丝杠产品营销策略研究_王有雪,西南证券整理 数据来源:E公司滚柱丝杠产品营销策略研究_王有雪,西南证券整理 全球滚珠丝杠市场规模超过全球滚珠丝杠市场规模超过 100 亿元,国内市场规模在亿元,国内市场规模在 30 亿元左右。亿元左右。根据华经

75、产业研究院,2021 年全球滚珠丝杠市场规模为 17.50 亿美元,预计 2022 年达到 18.59 亿美元,2016-2021年全球滚珠丝杠市场规模 CAGR=10.2%。2021年我国滚珠丝杠市场规模为 25.60亿元,预计 2022 年达到 28.00 亿元,2016-2021 年我国滚珠丝杠市场规模 CAGR=6.2%。日本和欧洲企业占全球滚珠丝杠约日本和欧洲企业占全球滚珠丝杠约 70%的市场份额。的市场份额。滚珠丝杆广泛应用于机床工具、机器人制造等,其中机床工具是其最大的应用领域。根据华经产业研究院,全球滚珠丝杠(Ball Screws)市场主要生产商有德国 Rexroth、德国舍

76、弗勒、日本 NSK、日本黑田精密工业、日本 THK、台湾上银等企业,日本和欧洲企业占全球约 70%的市场份额,CR5 市占率达到约46%。我国滚动功能部件制造厂商众多,但多数企业只能生产品种单一、技术含量不高的中低档产品,制造工艺水平与国外相比存在一定差距。6.5 1.1 01234567全球(含中国)中国 2022年销售额预测(亿元)Rollvis,28.0%GSA,28.0%Rexroth,14%SKF,9.40%南京工艺南京工艺,9.4%济宁博特济宁博特,9.4%CMC,0.9%优仕特优仕特,0.9%图图 42:2016-2021 年全球滚珠丝杠市场规模年全球滚珠丝杠市场规模 CAGR=

77、10.2%图图 43:2016-2021 年我国滚珠丝杠市场规模年我国滚珠丝杠市场规模 CAGR=6.2%数据来源:华经产业研究院,西南证券整理 数据来源:华经产业研究院,西南证券整理 表表 14:国内生产丝杠公司情况:国内生产丝杠公司情况 公司公司 介绍介绍 营收规模营收规模 瑞士 Rollvis Rollvis 公司成立于1970年,总部位于瑞士日内瓦,是专业设计和生产滚柱丝杠的厂家,产品推广商标为“RollvisSwiss”。其向市场推出的产品系列较为齐全,可以提供直径范围从 5mm至 245mm,导程范围从0.1mm至 50mm的几乎全系列研磨级高精度产品。Rollvis 的产品主要应

78、用于航空航天、军工设备、钢铁冶金等领域,近年来也面向普通工业应用如电动缸等提供批量化供货。但是,公司已经形成的研发和生产能力更适合于多品种小批量的业务类型,针对普通工业领域的大批量供货的能力尚待提高。国内的年营业额在 3000 万人民币左右 瑞士 GSA GSA 公司成立于1982年,总部位于瑞士伯尔尼,是专业设计和生产滚柱丝杠的厂家,产品推广商标为“GSASwiss”。与 Rollvis公司类似,GSA的丝杠尺寸系列较全,可以向市场提供直径范围从 5mm至 245mm,导程范围从 0.5mm至 50mm的产品系列。GSA 是目前市场上最具价格竞争力的研磨级滚柱丝杠品牌,其定价相对于Rollv

79、is 更低,产品质量等级和性能表现也略低于 Rollvis 公司。产品主要销售到航空航天、军工设备以及钢铁冶金等行业中。GSA 也在尝试开发一般工业领域的应用,但受限于公司产能与代理商在国内的业务运作能力,到目前为止成功的案例非常有限。国内年销售额在 3000 万 人民币左右 Rexroth 公司 Rexroth 公司和品牌隶属于博世力士乐集团,是一家主要生产液压系统、减速机、电控技术以及机电一体化产品的大型工业品公司。在线性传动技术领域,Rexroth提供直线导轨、滚珠和滚柱丝杠、电动缸和直线运动模组等产品,其滚柱丝杠产品是在近 10 年内推出的新产品,采用轧制成型技术以满足追求更高经济性的

80、客户需求,但在有高精度和高寿命要求的场景下无法使用。Rexroth公司在国内主要销售到一般工业领域中,尤其在注塑机和伺服压力机械等应用中业务成长速度快。国内年销售额在 1500 万人民币左右 博特精工(非上市)山东博特精工前身是山东济宁丝杠厂,始建于 1966年,国内滚动功能部件骨干专业化生产厂。50多年来,公司一直致力于滚动功能部件的研究与生产,公司主要产品包括精密滚珠丝杠副精密滚珠丝杠副、精密滚动直线导轨副、高速精密电主轴、精密机械主轴单元、X-Y 精密双坐标工作台、精密主轴等。/南京工艺(非上市)公司专注于滚动功能部件领域,积累了 70年的丰富经验,建有滚动功能部件全性能试验室,建成了高

81、精高精度滚珠丝杠副、大型滚珠丝杠副度滚珠丝杠副、大型滚珠丝杠副、滚动导轨副生产线。公司产品为高速、高精中高档数控机床大批量配套,推进了国产滚动功能部件的提档升级和替代进口。/秦川机床 公司汉江机床扩产滚珠丝杠副滚珠丝杠副和滚动直线导轨副,预计达产后每年新增销售收入 5 亿元。/鼎智科技 公司丝杠产品重要包括滑动丝杠、滚珠丝杠,其中滚柱丝杠实现批量出货,滚柱丝杠研发完成,已有样机。滚柱丝杠实现批量出货,滚柱丝杠研发完成,已有样机。公司现丝杆、螺母等线性执行器核心零部件的自制,丝杠在迈瑞医疗、深圳新产业、美国 IDEXX、美国Adaptas、韩国三星等企业产品中得到应用。2022 年丝杠 营收 1

82、.9亿元 12.23 13.05 13.81 14.77 15.71 16.51 17.50 18.59 0%1%2%3%4%5%6%7%8%024681012141618202015201620172018201920202021 2022E全球滚珠丝杠市场规模(亿美元)同比增速(右轴)12.96 14.31 16.76 18.15 19.50 21.94 23.61 25.60 28.00 0%2%4%6%8%10%12%14%16%18%05101520253020142016201820202022E我国滚珠丝杠市场规模(亿元)同比增速(右轴)公司公司 介绍介绍 营收规模营收规模 恒而

83、达 滚珠丝杠和滚柱丝杠滚珠丝杠和滚柱丝杠在研发阶段。/国茂股份 行星滚柱丝杠行星滚柱丝杠处于研发阶段。/恒立液压 2021年定增总投资 15亿元用于线性驱动器项目,项目达产后将形成年产 104000根标准滚珠丝杆电动缸标准滚珠丝杆电动缸、4500 根重载滚珠丝杆电动缸重载滚珠丝杆电动缸、750根行星滚柱丝杆电动缸行星滚柱丝杆电动缸、100000米标准滚珠丝杆标准滚珠丝杆和100000米重载滚重载滚珠丝杆珠丝杆的生产能力。/数据来源:公司公告,西南证券整理 4.5 传感器:视觉和力控必不可少,精度和可靠性为关键传感器:视觉和力控必不可少,精度和可靠性为关键 3D 视觉主要有三种原理:双目相机法、

84、结构光法、视觉主要有三种原理:双目相机法、结构光法、ToF法。法。1)双目相机法是基于视差原理并利用成像设备从不同的位置获取被测物体的两幅图像,通过计算图像对应点间的位置偏差,来获取物体三维几何信息的方法。目前有主动双目、被动双目之分,被动双目是采用可见光;主动双目是发射红外激光做补光。2)结构光法通常采用特定波长的不可见的红外激光作为光源,发射出来的光经过一定的编码投影在物体上,通过一定算法来计算返回的编码图案的畸变来得到物体的位置和深度信息。3)ToF 法是通过红外光在空气中的飞行时间,计算出目标体的距离。表表 15:3D视觉三种原理的优缺点视觉三种原理的优缺点 原理原理 优点优点 缺点缺

85、点 双目相机法 1)硬件要求和成本低,普通 CMOS相机即可。2)可适用室内外场景。1)对环境光照非常敏感。光线变化导致图像偏差大,进而会导致匹配失败或精度低。2)不适用单调缺乏纹理的场景。双目相机根据视觉特征进行图像匹配,没有特征会导致匹配失败。3)计算复杂度高。纯视觉的方法对算法要求高,计算量较大。4)基线限制了测量范围。测量范围和基线(两个摄像头间距)成正比,导致无法小型化。结构光法 1)方案成熟,相机基线可以做的比较小,方便小型化。2)资源消耗较低,单帧 IR图即可计算深度信息,功耗低。3)主动光源,暗光线场景也可使用。4)在一定范围内精度高、分辨率高。分辨率可达 1280 x1024

86、,帧率可达到60FPS。1)容易受环境光干扰,室外体验差。2)随检测距离增加,精度会变差。ToF 法(Time-of-Flight)1)检测距离远,在激光能量够的情况下可达几十米。2)受环境光干扰比较小。1)对设备要求高,特别是时间测量模块。2)资源消耗大。该方案在检测相位偏移时需要多次采样积分,运算量大。3)边缘精度低。4)限于资源消耗和滤波,帧率和分辨率都没办法做到较高。数据来源:樱田智能科技,西南证券整理 图图 44:3D视觉三种原理示意图视觉三种原理示意图 数据来源:中科院半导体所,传感器技术,西南证券整理 随着国内随着国内 3C 电子、新能源、快递物流等行业的蓬勃发展,电子、新能源、

87、快递物流等行业的蓬勃发展,3D 机器视觉需求增长明显。机器视觉需求增长明显。GGII数据显示,2021 年中国机器视觉市场规模 138.16 亿元,同比增长 46.79%。其中,2D视觉市场规模约为 126.65 亿元,3D 视觉市场约为 11.51 亿元。根据 GGII 预测,至 2025年我国机器视觉市场规模将达到 349 亿元,其中,2D 视觉市场规模将超过 291 亿元,3D视觉市场规模将超过 57 亿元,3D 视觉 2016-2025 年市场规模 CAGR 达 54.5%。目前可提供 3D 机器视觉的企业有海外的英特尔、谷歌、微软、英飞凌、Leapmotion 等,国内企业有凌云光(

88、双目相机法)、奥比中光(结构光法)、奥普特、天准科技、矩子科技等。图图 45:2025年中国年中国 3D机器视觉市场空间将超过机器视觉市场空间将超过 57 亿元亿元 数据来源:GGII,西南证券整理 特斯拉特斯拉 HW4.0 自动驾驶硬件系统或将搭载自动驾驶硬件系统或将搭载 4D 毫米波雷达,未来可横向迁移至人形机毫米波雷达,未来可横向迁移至人形机器人感知系统。器人感知系统。除 3D 机器视觉外,4D 毫米波雷达也可用于人形机器人的 3D 感知系统。4D毫米波雷达是传统毫米波雷达的升级版,传统毫米波雷达在速度和距离的测量上有较好的性能表现,但其水平分辨率较低且不具备高度识别功能。“4D”指的是

89、在原有距离、方位、速度三个维度基础上添加了对目标高度的监测维度,从而能实现“3D+高度”四个维度的信息感知。随着毫米波雷达的半导体工艺由 GaAs(砷化镓)转向 SiGe(锗硅)和 CMOS,芯片逻辑密度逐渐提高,成本下降有助于毫米波雷达的推广。图图 46:毫米波雷达:毫米波雷达 CMOS 工艺大幅提高了芯片逻辑密度工艺大幅提高了芯片逻辑密度 数据来源:加特兰微电子,西南证券整理 我国毫米波雷达行业集中度较高,被国外企业占据绝对的主导地位。我国毫米波雷达行业集中度较高,被国外企业占据绝对的主导地位。根据智研咨询数据,2022 年博世、大陆集团、安波福、海拉、维宁尔五家企业占据了我国毫米波雷达

90、86.4%的市场份额,其中 CR3 为 67.1%。传统 Tier 1 厂商在 4D 产品方面布局较快,大陆、采埃孚、安波福三家均有产品在 2022 和 2023 这两年实现量产。国内厂商目前拥有 4D 毫米波雷达样机的有经纬恒润、威孚高科、联合光电。图图 47:我国毫米波雷达行业被国外企业占据绝对的主导地位(:我国毫米波雷达行业被国外企业占据绝对的主导地位(2022年)年)数据来源:智研咨询,西南证券整理 触觉是机器人感知世界的重要能力之一。触觉是机器人感知世界的重要能力之一。力矩传感器被用来帮助机器人形成触觉功能,其原理是测量接触力和压力,从而让机器人对于“力道”精准把控。其中六维力矩传感

91、器是力传感器中技术壁垒最高、价值量最高的产品,可以测量空间中 X、Y、Z 轴的力分量及力矩分量。目前,六维力矩传感器被大量应用于协作机器人末端、航空航天风洞测试、医疗领域、运动健康领域中。图图 48:一个力可以被拆分成多个力和力矩之和:一个力可以被拆分成多个力和力矩之和 图图 49:六维力传感器常被用于协作机器人末端:六维力传感器常被用于协作机器人末端 数据来源:坤维科技,西南证券整理 数据来源:OptoForce,西南证券整理 目前我国力矩传感器市场主要被海外厂商占据。目前我国力矩传感器市场主要被海外厂商占据。根据 GGII数据,2022 年中国力传感器国产份额不足 30%,海外力传感器主要

92、公司有应美盛、意法半导体、亚德诺半导体等。随着“机器人+”应用行动实施方案的落实,国内相关厂商正加大研发力度,积极布局六维力矩传感器。目前拥有力传感器产品的上市公司有:昊志机电、汉威科技、柯力传感;非上市公司有:坤维科技、宇立仪器、海伯森技术、鑫精诚传感器、神源生智能、瑞尔特测控、埃力智能等。惯性传感器可以帮助机器人在运动中保持平衡。惯性传感器可以帮助机器人在运动中保持平衡。IMU(Inertial Measurement Unit,惯性测量单元)是测量物体在空间内姿态角和加速度的装置,被广泛用于机器人定位和姿态感知。对于人形机器人来说,IMU 可以使其在走、跑、跳、蹲等动作过程中保持平衡。最

93、基础的惯性传感器包括加速度计和角速度计(陀螺仪),其中陀螺仪漂移对位置的误差影响是时间的三次方函数,所以提高陀螺仪的精度、同时降低其成本是当前追求的目标。表表 16:惯性传感器三种分级比较:惯性传感器三种分级比较 精度级别精度级别 应用场景应用场景 测量误差测量误差 价格价格 低精度 消费电子(智能手机等)高 50 美分几美元 中级 汽车 ESP及 GPS 导航系统 一般 几百上千美元 高精度 军用级和宇航级产品(通讯卫星、导弹头等)低 几十万美元 数据来源:IND4汽车人,西南证券整理 惯性传感器包括加速度计和陀螺仪。惯性传感器包括加速度计和陀螺仪。1)加速度计中的电容板质量很大,且设计为悬

94、臂结构,当速度变化或者加速度足够大时,它所受到的惯性力超过支撑力,开始移动,上下电容板之间的距离会发生变化,上下电容因此变化,且电容的变化跟加速度成正比。2)陀螺仪主要是利用角动量守恒原理及科里奥效应测量运动物体的角速率。图图 50:加速度计结构示意图:加速度计结构示意图 图图 51:陀螺仪结构示意图:陀螺仪结构示意图 数据来源:IND4汽车人,西南证券整理 数据来源:崔玉祥陀螺基本知识,西南证券整理 国内惯性传感器市场主要被海外厂商占据。国内惯性传感器市场主要被海外厂商占据。根据头豹研究院数据,2022 年中国惯性传感器市场中 Bosch、ST等头部企业合计市占率达 70%以上,占据陀螺仪

95、80%以上份额,占据 IMU 85%以上份额。加速度计市场 CR3 大于 80%,陀螺仪计市场 CR3 大于 90%,IMU市场 CR3 大于 95%。目前国内惯性传感器厂商主要有芯动联科等。5 相关标的相关标的 有望应用到人形机器人领域的国产核心零部件厂商相关标的:1)减速器:减速器:相关标的包括绿的谐波(688017)、双环传动(002472)、中大力德(002896)、秦川机床(000837)、国茂股份(603915)等;2)伺服电机伺服电机/无框力矩电机:无框力矩电机:相关标的包括汇川技术(300124)、禾川科技(688320)、步科股份(688160)、昊志机电(300503)等;3)空心杯电机:空心杯电机:相关标的包括鸣志电器(603728)、鼎智科技(873593)等;4)丝杠:丝杠:相关标的包括鼎智科技(873593)、秦川机床(000837)、恒而达(300946)、禾川科技(688320)等;5)传感器:传感器:相关标的包括柯力传感(603662)、奥比中光(688322)、芯动联科(688582)、苏州固锝(002079)等。

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