BIRTV 2025 TVU参展预告：创新二十载 携手向未来

7月1日，项目负责人褚明（中）指导团队核心成员开展相关实验(shíyàn)。河北日报(rìbào)记者周聪聪摄 在人机协同作业日益普及(pǔjí)的今天，工人在生产线(shēngchǎnxiàn)上与机器人“并肩作战”时，真的足够安全(ānquán)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(shùzì)孪生驱动的人机协作安全(ānquán)距离快速感知(gǎnzhī)系统”为这个难题给出了创新解决方案。 48毫秒的(de)超快响应速度、无(wú)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，该项目成功斩获(zhǎnhuò)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(yuè)12日，第二届雄安未来之(zhī)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”现场演示。褚明供图 超快反应，让人与机器人安全协作(xiézuò) 六轴桌面式协同机械臂轻盈(qīngyíng)舞动关节，但当人靠近，一旁的电脑屏幕上(shàng)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，一道在人与机械臂之间动态生成的明黄色线条实时测量二者距离，并据此(jùcǐ)给机器人下达“停机(tíngjī)”“减速”等指令，将有可能(kěnéng)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，“数字孪生驱动的人机协作(xiézuò)安全距离快速感知系统”展示着毫秒级(jí)的危险预警能力。 在第二届(dìèrjiè)雄安未来之城场景汇雄安国际机器人大赛上，该项目凭借(píngjiè)出色的实时感知性能和人机交互安全性，从(cóng)众多参赛项目中脱颖而出，荣膺大赛一等奖。 人机协作(xiézuò)的安全距离，是这项研究的核心问题。 或许(huòxǔ)有人会疑惑，机器人不都是按照(ànzhào)预设程序精准作业的吗？为何还需要专门研究人和机器人的安全距离？ “人们把机器人称为‘人’，这种说法其实高估了它的智能水平。”项目负责人、北京邮电大学智能工程(gōngchéng)与自动化学院教授褚明解释，机器人确实能高效完成重复性、高强度的任务，但它的智能远未达到与人类真正协同共处的程度。在早期工业应用中，机器人作业(zuòyè)时(shí)甚至需要被铁丝网隔离，以(yǐ)确保人员(rényuán)安全。 如今，随着技术的(de)突破性发展，机器人总动员正成为智能制造(zhìzào)新常态。 “然而，在人机共存(gòngcún)的生产环境中，安全防护体系仍面临(miànlín)严峻挑战，工业机器人事故时有发生。”褚明介绍，其中机器人制造和焊接是事故高发(gāofā)领域。 “当前工业领域的人机安全监测主要依赖激光雷达、红外和声波(shēngbō)测距等(děng)技术(jìshù)，但都存在明显缺陷(quēxiàn)。”褚明(chǔmíng)分析，这类设备几乎全要外挂在机器人上，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(zhǐnéng)测量到正面相对的区域，存在监测盲区；激光雷达虽能全向(quánxiàng)覆盖，但响应速度慢且成本(chéngběn)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(ruǎnxìng)防护。但在实际生产中，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(jīqìrén)轻装上阵，在不依赖外挂设备的情况下，就能实现360度全场景的安全监测(jiāncè)？ 2021年，褚明研究团队的这(zhè)一构想，引起了(le)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攻关基础，西门子创新(chuàngxīn)研究院决定投入专项研发资金启动联合攻关(liánhégōngguān)。 面对传统硬件方案“笨重昂贵”与“防护滞后”的双重困境，褚明带领团队另辟蹊径，将(jiāng)数字(shùzì)孪生技术与计算机视觉深度融合。不仅能使轻装上阵的机器人拥有安全直觉，还赋予其比人类(rénlèi)更快的反应能力。 “人类在(zài)保持清醒的前提下，发现危险并(bìng)作出反应的平均时间是120毫秒(háomiǎo)。”褚明一脸自豪地表示，但这套系统仅需48毫秒就能完成安全距离感知，响应速度是人类的2.5倍。 褚(chǔ)明说，这套系统不仅反应快，还能“一心六用(liùyòng)”，同时追踪6个作业人员的人机距离，确保每个人都能获得同样迅捷的防护响应。 7月(yuè)1日拍摄的参赛项目所用深度相机，它(tā)能让机器人在“零穿戴”的情况下拥有360度全场景视角。河北日报记者周聪聪摄 给机器人装上“天眼”，360度无死角安全防护(fánghù) “让机器人拥有安全直觉，传统方案是(shì)给它‘穿盔戴甲’，我们的(de)办法(bànfǎ)则是‘开天眼’。”拿起一个纸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，却能让机器人在(zài)“零穿戴”的情况下拥有360度全场景视角。 这台深度相机性能强大，每秒能拍摄60帧画面(huàmiàn)，相当于每16.67毫秒(háomiǎo)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，构建了一个实时运转的(de)数字孪生世界：相机采集的人体骨骼数据和机械臂运动(yùndòng)轨迹，在虚拟空间(xūnǐkōngjiān)中同步生成动态模型，通过算法实时计算碰撞风险，实现从感知(gǎnzhī)到防护的无缝衔接。 数据(shùjù)采集、孪生建模、风险计算……这一系列复杂运算，如何在(zài)远低于人类反应速度的48毫秒内完成？ 指着电脑屏幕上那些与人体(réntǐ)动作神同步的(de)红色线条，褚明道破秘诀所在。 “现实中我们看到的(de)是人和机器人的互动，但(dàn)在数据世界里，我们构建的却是极简主义的骷髅级交互模型。”褚明解释，深度相机通过识别人体32个骨骼关键点，实时构建动态(dòngtài)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(zhǔyào)活动关节。 “筛减时，我们舍弃了面部等非必要区域的关键点，保留(bǎoliú)下来的都是(shì)能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(réntǐ)的(de)动态模型，团队利用工业机器人内置的光电码盘传感器，实时获取各个轴关节角度数据(shùjù)，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(jiànmó)。这种高度(gāodù)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的构建效率(xiàolǜ)，为毫秒级实时响应提供了关键技术保障。 不过，要实现真正可靠的人机安全协同，挑战远(yuǎn)未结束。 采访中，记者曾变换各种动作和距离，屡屡试图“碰瓷(pèngcí)”机器人。但遗憾的是，一次都没成功。电脑屏幕上，一条黄线(huángxiàn)始终如影随形地横亘在记者和机器人之间，并不断变换着距离数据。随着(suízhe)距离数据的变化，机械臂或转速(zhuànsù)下降，或瞬间停止，始终与记者保持着安全距离。 “这根黄线，标注的是人(rén)和机器人(jīqìrén)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、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。 为找到这条黄线，去年(qùnián)毕业的博士生、团队核心成员陈宇足足花了一年(yīnián)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？”陈宇解释，不同于静态物体，人和机械臂始终处于(chǔyú)运动状态(zhuàngtài)。特别是人体动作具有天然的随机性(suíjīxìng)和不可预测性，两者的运动轨迹在三维空间中不断交织，形成(xíngchéng)高度复杂的动态空间关系。 为了(wèile)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)骨骼模型基础上做了一层“胶囊体”，为数字模型穿上了一层“肌肉外衣(wàiyī)”。 “多次试验验证，系统的(de)距离测量误差已经(yǐjīng)被严格控制在3.5%以内，相当(dāng)于当实际距离为1米时，系统测量值在96.5至103.5厘米之间波动。”褚明说，这个精度窗口是(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，又确保了工业场景下的绝对安全(ānquán)。 当人靠近(kàojìn)六轴桌面式协同机械(jīxiè)臂，电脑屏幕上立刻浮现数道红色线条勾勒(gōulè)出人体的骨骼结构。同时，在人与机械臂之间动态生成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画面。褚明(chǔmíng)供图 成本低、部署快，产业化优势突出(tūchū) “安装复杂吗？成本会不会很(hěn)高？”在第二届雄安未来之城场景汇雄安国际机器人(jīqìrén)大赛上，“数字孪生驱动的人机协作安全距离快速感知(gǎnzhī)系统”使用的便捷性和经济性，成为许多参观者驻足咨询的热点。 对此，褚明的(de)回答令他们眼前一亮。 “这套系统的部署(bùshǔ)(bùshǔ)极其简单(jiǎndān)，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米远范围，单个6米远监控区域的部署成本(chéngběn)仅2万元。 更令人惊喜的是，如果监测(jiāncè)范围需要扩大，只需线性增加摄像头数量，无需(wúxū)额外复杂配置，大幅降低了整体投入。 兼容性强(qiáng)、成本低、部署快，该系统的种种优势，让不少制造企业(qǐyè)当场就表达了合作意向。 一家焊接机器人企业负责人向褚明坦言，他们正面临严峻的人机协作安全挑战：在自动化焊接产线上，虽然核心焊接工序(gōngxù)由机械(jīxiè)臂完成，但上下料环节仍需人工介入。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(gāowēn)焊渣，安全风险居高不下(jūgāobùxià)。 “对我们这样的焊接(hànjiē)企业来说，这套系统绝对(juéduì)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(kěyǐ)与机械臂捆绑销售作为机械臂的增值服务，提升产品竞争力。 企业之外，沧州市招商部门也向褚明详细介绍了各种产业化(chǎnyèhuà)扶持政策(zhèngcè)，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，目的就是让这项技术接受市场的真实检验(jiǎnyàn)，看它是否能切实解决企业的安全生产痛点。”褚明说(míngshuō)，他们希望通过这种方式(fāngshì)，持续优化技术方案，推动实验室成果走出象牙塔(xiàngyátǎ)，真正服务实体经济。 在推动项目落地产业化的同时，团队(tuánduì)在人机(rénjī)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，推动人机(rénjī)协作向更高层(gāocéng)级发展。”褚明介绍，他们的研究大方向是让机器人不仅能感知人的存在，更能理解人的意图(yìtú)，推动人机共存走向人机共融。 “工业4.0实现(shíxiàn)了生产数字化，但其本质仍是机器主导的(de)(de)生产模式，人只是被动地嵌入其中。而正在兴起的工业5.0则强调人机融合，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(wèilái)的人机协作会是怎样一幅新图景？ “以电路板精密装配为例，目前这类精密装配仍需工人(rén)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(bùjǐn)劳动强度大，效率也不高。”褚(chǔ)明说，理想的(de)人机协作应该是，当工人伸手准备(zhǔnbèi)焊接时，机械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(diànróng)时，又能精准奉上对应元件。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。 “而这，正是我们努力(nǔlì)研究的(de)方向。”褚明相信，这一天的到来不会太远。（河北日报记者 周聪聪） 7月1日，团队核心成员展示参赛项目所用的(de)深度相机，它能让机器人在“零穿戴”的情况下拥有(yōngyǒu)360度全场景视角。河北日报记者周聪聪(cōngcōng)摄 一个(yígè)深度相机(xiàngjī)，一个软件模块，靠着这样的(de)简单组合，“数字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在萌芽状态。 极(jí)简实体(shítǐ)、极速感知、极度安全，项目负责人褚明用三个“极”来概括这项成果的特点。 但成果有多(duō)“简”，过程就有多“繁”。 采访中，褚明一(yī)开始并没有急于展示成果，而是(érshì)先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的真实轨迹。 最初，团队选择的(de)技术路径(lùjìng)颇具吸引力，模拟人类双眼(shuāngyǎn)的立体视觉测距原理，计算深度相机发射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(zhǎodào)最近距离点(diǎn)，系统需要把遍布人体表面的(de)所有关键点计算一遍，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要求。 就这样，研究(yánjiū)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(zìdài)的(de)关键点捕捉功能，通过(tōngguò)精心筛选25个人体关键点和9个机械臂节点，将原本(yuánběn)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，每一步都不(bù)容易。 为了找到合适(héshì)的深度(shēndù)相机，团队核心成员张萌花了三个多月，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国外厂家反复(fǎnfù)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(huà)，道破了人工智能研究的真谛。 而创新(chuàngxīn)的魅力，恰恰藏在这份“极简”与“极繁”的辩证之中。 在采访(cǎifǎng)尾声，褚明特别提到德国工业5.0倡导的人机(rénjī)共融愿景。那时候，机器人不再是(shì)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(tànsuǒ)持续碰撞，科技创新的未来必将(bìjiāng)绽放更多可能。 文/河北日报记者 周(zhōu)聪聪 关注河北日报，了解更多(duō)权威资讯