BIRTV 2025 TVU参展预告：创新二十载 携手向未来

7月1日(rì)，项目负责人褚明（中）指导团队核心成员开展相关实验。河北日报(rìbào)记者周聪聪摄 在人机协同作业(zuòyè)日益(rìyì)普及的今天，工人在生产线上(shàng)与机器人“并肩作战”时，真的足够安全吗？如果答案并不似我们想象中乐观，如何在人机共存的环境中确保人的安全？ 不久前，第二届雄安未来之城场景汇雄安国际机器人大赛上，参赛项目“数字孪生驱动的人机协作安全距离(jùlí)快速感知系统”为这个(zhègè)难题给出了创新解决方案(jiějuéfāngàn)。 48毫秒的(de)超快响应速度、无需外挂设备就能实现360度无死角安全防护、低至2万元的部署成本……凭借这些突破性优势(yōushì)，该(gāi)项目成功斩获大赛一等奖，重新定义着工业场景下人机协作的安全标准。 6月12日，第二届(dìèrjiè)雄安未来之城场景汇雄安国际机器人大赛上，参赛项目“数字孪生驱动的人机(rénjī)协作安全距离快速感知系统”现场演示。褚明(chǔmíng)供图 超快反应，让人与机器人(jīqìrén)安全协作 六轴桌面式协同机械臂轻盈舞动(wǔdòng)关节，但当人靠近，一旁的(de)电脑屏幕上立刻浮现数道醒目的红色线条，勾勒出人体的骨骼结构。同时，一道在(zài)人与机械臂之间动态(dòngtài)生成的明黄色线条实时测量(cèliáng)二者距离，并据此给机器人下达“停机”“减速”等指令，将有可能对人造成的安全伤害扼杀在萌芽中…… 6月20日，北京邮电大学科研楼924室，“数字孪生驱动的(de)人机协作安全距离快速感知系统”展示着毫秒级的危险(wēixiǎn)预警能力。 在第二届雄安未来之城场景汇雄安国际机器人大赛上，该项目(xiàngmù)凭借出色的实时感知性能和人机交互安全性，从众多(zhòngduō)参赛项目中脱颖而出(tuōyǐngérchū)，荣膺大赛一等奖。 人机协作的安全距离，是这项研究(yánjiū)的核心问题。 或许有人会(huì)疑惑，机器人不都是按照预设程序精准作业的吗？为何还需要专门研究人和(hé)机器人的安全距离？ “人们把机器人称为‘人’，这种说法(shuōfǎ)其实高估了它(tā)的智能水平。”项目负责人、北京邮电大学智能工程与自动化学院(xuéyuàn)教授褚明解释，机器人确实能高效完成(wánchéng)重复性、高强度的任务，但它的智能远未达到与人类真正协同共处(gòngchǔ)的程度。在早期工业应用中，机器人作业时甚至需要被铁丝网隔离，以确保人员安全。 如今(rújīn)，随着技术的(de)突破性发展，机器人总动员正成为智能制造新常态。 “然而，在人机共存的生产环境中，安全防护体系仍面临严峻挑战，工业(gōngyè)机器人(jīqìrén)事故时有发生。”褚明介绍，其中机器人制造和焊接(hànjiē)是事故高发领域。 “当前(dāngqián)工业领域的人机安全监测主要依赖激光雷达、红外和声波测距等技术，但都存在明显缺陷。”褚明分析(fēnxī)，这类设备几乎全要外挂(wàiguà)(guà)在机器人上，以激光雷达为例，它形似矿泉水瓶，直径约10厘米。机械臂(bì)挂上这样一个瓶子，不仅影响工作的灵活性，甚至还会带来新的安全隐患。 除了体积问题，各类技术还有各种局限：声波测距只能测量到正面相对的区域，存在监测盲区(mángqū)；激光雷达(jīguāngléidá)虽能(suīnéng)全向覆盖，但响应速度慢且成本高昂，单台价格超6万元。 鉴于硬件方案存在的成本高、干扰作业等现实问题，多数企业选择依赖管理规范等软性防护。但在实际(shíjì)生产中，工人错误(cuòwù)的操作习惯和企业投入不足的双重因素，又(yòu)导致事故频发。 能否让机器人轻装上阵，在不(bù)依赖外挂设备的情况下，就能实现360度全场景的安全(ānquán)监测？ 2021年，褚明研究团队的(de)这(zhè)一构想，引起了西门子创新研究院的兴趣。 基于和北京邮电大学既有的校企联合技术(jìshù)攻关(gōngguān)基础，西门子创新研究院决定投入专项研发资金启动联合攻关。 面对传统硬件方案“笨重昂贵”与“防护滞后”的双重困境(kùnjìng)，褚明带领团队另辟蹊径，将数字孪生技术与计算机视觉深度融合。不仅能(néng)使(shǐ)轻装上阵的机器人拥有安全直觉，还赋予其比人类更快的反应能力。 “人类在保持(bǎochí)清醒的前提下，发现危险并作出反应的平均时间是120毫秒。”褚明一脸自豪地表示，但这套系统仅需48毫秒就能完成(wánchéng)安全距离感知，响应速度是人类的2.5倍(bèi)。 褚明说，这套系统不仅反应快，还能“一心六用”，同时追踪6个作业人员(rényuán)的人机距离，确保每个人都能获得同样迅捷的防护(fánghù)响应。 7月1日拍摄的参赛项目(xiàngmù)所用深度相机，它能让机器人在“零穿戴”的情况下拥有360度全场景视角。河北(héběi)日报记者周聪聪摄 给机器人(jīqìrén)装上“天眼”，360度无死角安全防护 “让机器人拥有安全直觉，传统方案是给它‘穿盔(chuānkuī)戴甲’，我们的办法则是‘开天眼’。”拿起一个纸(yígèzhǐ)抽大小的白色深度相机，褚明轻轻晃了晃说，这是整套系统中唯一的硬件设备(shèbèi)，却能让机器人在“零(líng)穿戴”的情况下拥有360度全场景视角。 这台深度(shēndù)相机性能强大，每秒能拍摄60帧(zhēn)画面，相当于每16.67毫秒就能完成一次对人的动态捕捉。 研究团队巧妙利用这一特性(tèxìng)，构建了一个实时运转的数字孪生(luánshēng)世界：相机采集的人体骨骼数据和机械臂运动轨迹，在(zài)虚拟空间中同步(tóngbù)生成动态模型，通过算法实时计算碰撞风险，实现从感知到防护的无缝衔接。 数据采集、孪生建模、风险计算……这一系列复杂运算，如何在远低于(dīyú)人类反应速度(fǎnyìngsùdù)的48毫秒内完成？ 指着电脑屏幕上那些与人体动作神同步的红色(hóngsè)线条，褚明道破(dàopò)秘诀所在。 “现实中(zhōng)我们看到的是人和机器人的互动，但在数据世界里，我们构建的却是极简主义(zhǔyì)的骷髅级(jí)交互模型。”褚明解释，深度相机通过识别(shíbié)人体32个骨骼关键点，实时构建动态骨骼框架，实现精准动作捕捉。在此基础上，团队进一步筛选出(chū)其中25个关键点，包括手指尖、脚尖等人体最远端，以及肩、肘、髋等主要活动关节。 “筛减时，我们舍弃了面部(miànbù)等非必要区域的关键点，保留下来的都是能(néng)影响人体可能触及最大空间范围的关键点。”褚明说。 有了人体的动态(dòngtài)模型，团队利用工业机器人内置(nèizhì)的光电码盘(mǎpán)传感器，实时获取各个轴关节角度数据，仅用9个关键点即可完整重构机器人运动姿态。 就这样，仅仅靠34个关键点，团队便完成了人和机器人的建模。这种高度简化的建模方式，大大降低了系统数据计算量，有效提升了数字孪生场景(chǎngjǐng)的构建效率，为毫秒(háomiǎo)级实时响应提供了关键技术保障(bǎozhàng)。 不过，要实现真正可靠(kěkào)的人机安全协同，挑战远未结束。 采访中，记者曾变换(biànhuàn)各种动作和距离(jùlí)，屡屡试图“碰瓷”机器人。但遗憾的是，一次都没成功。电脑屏幕上，一条黄线始终如影随形地横亘在记者和机器人之间，并不断变换着(zhe)距离数据。随着距离数据的变化，机械臂或转速下降，或瞬间停止，始终与记者保持(bǎochí)着安全距离。 “这根黄线，标注的是人和机器人间的最短距离。”褚(chǔ)明说，系统正是根据这个距离数据，设置了低危、中危(zhōngwēi)、高危三级安全阈值，向机器人做出声光预警、减速运行、紧急停机等指令(zhǐlìng)。 为找到这条黄线，去年毕业的(de)博士生、团队(tuánduì)核心成员陈宇足足花了一年多时间。 “两个‘骨架’关键点间连成的线成千上万条，这其中，哪条才是最短的？”陈宇(chényǔ)解释，不同于静态物体，人和(hé)机械臂始终处于运动状态。特别是人体动作具有天然的随机性和不可预测性，两者的运动轨迹在三维空间(kōngjiān)中不断(bùduàn)交织，形成高度复杂的动态空间关系。 为了更真实地计算人体与机器人的安全距离，研究团队还考虑到人的胖瘦对二者距离的影响，根据成年人的体型中位数，在(zài)骨骼模型基础(jīchǔ)上做了一层“胶囊体”，为数字模型穿(chuān)上了一层“肌肉外衣”。 “多次试验验证，系统的距离测量误差已经被严格控制在3.5%以内，相当于当实际距离为1米时(shí)，系统测量值在96.5至103.5厘米之间波动。”褚明说，这个精度(jīngdù)窗口(chuāngkǒu)是(shì)经过反复推敲后确定的最佳平衡点，既能够规避过度追求精度带来的算力浪费(làngfèi)，又确保了工业场景下的绝对安全。 当人靠近六轴桌面式协同机械臂(bì)，电脑屏幕上立刻浮现数道红色线条勾勒出人体的骨骼(gǔgé)结构。同时，在人与机械臂之间动态生成(shēngchéng)一条明黄色线条实时测量二者距离。图为实验过程中拍摄的电脑屏幕显示(píngmùxiǎnshì)画面。褚明供图 成本低(chéngběndī)、部署快，产业化优势突出 “安装复杂吗？成本会不会很高？”在第二届(dìèrjiè)雄安未来之城场景汇雄安国际机器人大赛(dàsài)上，“数字孪生驱动的人机协作安全距离快速感知系统”使用(shǐyòng)的便捷性和经济性，成为许多参观者驻足咨询的热点。 对此，褚明的回答令(lìng)他们眼前一亮。 “这套系统的(de)部署极其简单，就像在工厂安装普通监控摄像头一样便捷。”褚明说，系统的运行，仅依赖深度相机和软件模组，每个定焦深度相机可精准覆盖6米(mǐ)远(yuǎn)(yuǎn)范围，单个6米远监控区域的部署成本仅2万元。 更令人惊喜的是，如果(rúguǒ)监测范围需要扩大，只需线性增加摄像头数量，无需额外复杂(fùzá)配置，大幅降低了整体投入。 兼容性强、成本低、部署快，该系统的种种优势，让不少(bùshǎo)制造企业当场(dāngchǎng)就表达了合作意向。 一家焊接机器人企业负责人向褚明坦言，他们正面临严峻的(de)人机协作安全挑战：在(zài)自动化焊接产线上(shàng)，虽然核心焊接工序由机械臂完成，但上下料环节仍需(xū)人工介入。工人频繁进出作业区域时，既要防范机械臂的意外碰撞，又要躲避飞溅的高温焊渣，安全风险居高不下。 “对我们这样的焊接企业来说，这套(zhètào)系统绝对是刚需。”这位企业负责人还对该系统产业化提出建议，除独立销售外，还可以与机械臂(bì)捆绑(kǔnbǎng)销售作为机械臂的增值服务，提升产品竞争力。 企业之外，沧州市招商部门也(yě)向褚明详细介绍了各种(gèzhǒng)产业化扶持政策，表达了助力这项技术快速落地的强烈意愿。 “这是我们第一次参加雄安场景汇，目的(mùdì)就是让这项技术接受市场的真实检验，看它是否能切实解决(jiějué)企业的安全生产痛点。”褚明说，他们希望通过这种方式，持续优化技术方案，推动实验室(shíyànshì)成果走出象牙塔，真正服务实体经济(jīngjì)。 在推动项目(xiàngmù)落地产业化的同时，团队(tuánduì)在人机共存领域的研究仍在持续深化。 “目前，我们正在研究从仿真到实体的相关课题，推动人(rén)机协作向更高层级发展。”褚明介绍，他们的研究大方向是让机器人不仅能(néng)感知人的存在，更能理解人的意图，推动人机共存(gòngcún)走向人机共融。 “工业4.0实现了生产数字化，但其本质(qíběnzhì)仍是机器主导的生产模式，人只是被动地嵌入其中。而正在(zài)兴起的工业5.0则强调(qiángdiào)人机融合，在共同的工作环境中开展更精密、更智能的协作。”褚明解释。 未来的人机协作会是怎样一幅(yīfú)新图景？ “以电路板精密装配为例，目前这类精密装配仍需工人完成30多道工序，频繁切换十余种工具来取放微小元器件，不仅劳动强度(láodòngqiángdù)大，效率也不高。”褚明说，理想(lǐxiǎng)的人机协作应该是，当(dāng)工人伸手准备焊接时，机械(jīxiè)臂能智能识别这一意图，主动递送焊枪；当需要安装微型电容时，又(yòu)能精准(jīngzhǔn)奉上对应元件。这样的场景下，机器人就像个得力的智能助手，始终默契配合，和人达到心有灵犀的协作水平。 “而(ér)这，正是我们努力研究的方向。”褚明相信，这一天的到来不会太远。（河北日报记者(jìzhě) 周聪聪） 7月1日(rì)，团队核心成员展示参赛项目所用的深度相机，它能让机器人在“零穿戴”的情况下拥有360度全(dùquán)场景视角。河北日报记者周聪聪(cōngcōng)摄 一个深度相机，一个软件模块，靠着(kàozhe)这样的简单组合，“数字(shùzì)孪生驱动的人机协作安全距离快速感知系统”实现了48毫秒的极速感知，将人机协作中的潜在安全风险扼杀(èshā)在萌芽状态。 极简实体、极速(jísù)感知、极度安全，项目负责人褚明用(chǔmíngyòng)三个“极”来概括这项成果的特点。 但成果有多“简”，过程就有多“繁(fán)”。 采访中，褚明一开始并没有急于展示成果，而是先(xiān)回顾了一段失败的经历。这个坦诚的开场，让记者了解了科研工作(kēyángōngzuò)的真实轨迹。 最初，团队选择的技术(jìshù)路径颇具吸引力，模拟人类双眼的立体视觉测距原理，计算(jìsuàn)深度相机发射(fāshè)的调制光线的往返时间差，来构建人体三维轮廓。 这种仿生学思路看似完美，却在实践中遭遇瓶颈。为了找到最近距离点，系统需要把遍布(biànbù)人体表面的所有关键点计算(jìsuàn)一遍，庞大的计算量导致建模延迟，远达不到工业安全防护响应的时效(shíxiào)要求。 就(jiù)这样，研究一度陷入困境。 在失败中寻找希望，团队再次调整思路，利用深度相机自带的关键点(guānjiàndiǎn)捕捉功能，通过精心筛选(shāixuǎn)25个人体关键点和9个机械臂(bì)节点，将(jiāng)原本复杂的建模过程简化。思路的转变，让数字孪生建模效率得到质的飞跃。 让机器人实现智能，每一步(yībù)都不容易。 为了(le)找到合适的深度相机，团队核心成员张萌花了三个(sāngè)多月，对比了三十多款产品的详细数据。为了获取更多详细数据，她不得不一家家联系厂商，有时甚至要跨时区与(yǔ)国外厂家反复沟通。 “有多少人工，才有多少智能。”采访中，褚明反复提及的(de)这句话，道破了(le)人工智能研究的真谛。 而创新的魅力(mèilì)，恰恰藏在这份“极简”与“极繁”的辩证之中。 在采访尾声，褚明特别提到德国工业5.0倡导的(de)人机(rénjī)共融愿景(yuànjǐng)。那时候，机器人不再是冰冷的执行者，而是能理解意图、预判需求的智能伙伴。 这种充满温度的技术想象，让我们有理由相信，当极简的智能与极繁的探索持续碰撞，科技创新的未来(wèilái)必将绽放更多(duō)可能。 文(wén)/河北日报记者 周聪聪 关注河北日报，了解更多(duō)权威资讯