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(chǔmíng)（中）指导团队核心成员开展相关实验。河北日报记者周聪聪(cōngcōng)摄 在人机协同作业日益(rìyì)普及的今天，工人在生产线上与(yǔ)机器人“并肩作战”时，真的(zhēnde)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(le)创新解决方案。 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(tūpòxìng)优势，该项目(xiàngmù)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，第二届雄安未来之城场景汇雄安国际机器人大赛上，参赛项目(xiàngmù)“数字孪生(luánshēng)驱动的人机协作安全(ānquán)距离快速感知系统”现场演示。褚明供图 超快(chāokuài)反应，让人与机器人安全协作 六轴桌面式(zhuōmiànshì)协同机械臂(bì)轻盈舞动(wǔdòng)关节，但当人靠近，一旁的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(jiégòu)。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，并据此给机器人下达“停机”“减速”等指令，将有可能对人造成的安全(ānquán)伤害扼杀在萌芽中…… 6月20日，北京邮电大学科研(kēyán)楼924室，“数字孪生驱动的人机协作安全距离快速(kuàisù)感知系统”展示着毫秒级的危险预警能力。 在(zài)第二届雄安未来之城场景汇雄安国际机器人大赛上，该项目凭借出色的实时感知性能和人机交互安全性，从众多参赛(cānsài)项目中脱颖而出，荣膺大赛一等奖(yìděngjiǎng)。 人机协作的(de)安全距离，是这项研究的核心问题。 或许有人会疑惑(yíhuò)，机器人不(bù)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机器人的安全距离？ “人(rén)们把机器人称为‘人’，这种说法其实高估了它的智能(zhìnéng)水平。”项目负责人、北京邮电大学智能工程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(dàn)它的智能远未达到与人类真正协同共处的程度(chéngdù)。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(yǐ)确保人员安全。 如今，随着技术的突破性发展，机器人总动员正成为智能制造(zhìzào)新(xīn)常态。 “然而，在人机共存的生产环境中，安全防护体系(tǐxì)仍面临严峻挑战，工业(gōngyè)机器人事故时有发生。”褚明介绍，其中机器人制造和焊接是(shì)事故高发领域。 “当前工业领域的(de)人机安全监测主要依赖激光雷达(jīguāngléidá)、红外和声波测距等技术，但都存在明显缺陷。”褚明(chǔmíng)分析，这类设备(shèbèi)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(ānquányǐnhuàn)。 除了体积问题，各类(gèlèi)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；激光雷达虽能全向覆盖，但响应速度慢且(mànqiě)成本高昂，单台价格(jiàgé)超6万元。 鉴于硬件方案存在(cúnzài)的成本高(gāo)、干扰作业等(děng)现实问题，多数企业选择依赖管理规范等软性防护。但在实际生产中，工人错误的操作习惯和企业投入不足的双重因素，又导致事故频发。 能否让机器人轻装上阵，在不依赖外挂设备的情况下，就能实现360度全(dùquán)场景的安全(ānquán)监测？ 2021年(nián)，褚明研究团队的这一构想，引起了西门子创新研究院(yánjiūyuàn)的兴趣。 基于和北京邮电大学(běijīngyóudiàndàxué)既有的校企(xiàoqǐ)联合技术攻关基础，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(fánghù)滞后”的双重困境，褚明带领团队另辟蹊径(lìngpìxījìng)，将数字(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，还赋予其比人类更快的反应能力。 “人类在保持清醒(qīngxǐng)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(xiǎngyìngsùdù)是人类的2.5倍。 褚明说，这套系统不仅反应快，还能“一心六用”，同时追踪6个作业人员的(de)(de)人机距离，确保每个人都能获得同样迅捷的防护响应。 7月1日拍摄的(de)参赛项目所用深度相机，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 给机器人装(zhuāng)上“天眼”，360度无死角安全防护 “让机器人(jīqìrén)拥有安全直觉，传统方案是(shì)给它‘穿盔戴甲’，我们的办法则是‘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(wéiyī)的硬件设备，却能让机器人在“零穿戴”的情况下拥有360度全场景视角(shìjiǎo)。 这台深度相机性能强大，每秒(měimiǎo)能拍摄(pāishè)60帧画面，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，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(gǔgé)数据和机械臂运动轨迹，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(shíxiàn)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(fùzá)运算，如何(rúhé)在远低于人类反应速度的48毫秒内完成？ 指着(zhǐzhe)电脑屏幕上那些(nàxiē)与人体动作神同步的红色线条，褚明道破秘诀所在。 “现实中我们看到的是人和机器人的互动，但在数据世界(shìjiè)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(réntǐ)32个骨骼关键点，实时构建动态骨骼框架(kuāngjià)，实现精准动作捕捉。在此基础上(shàng)，团队进一步筛选出其中25个关键点，包括手指尖、脚尖(jiǎojiān)等人体最远端，以及肩、肘、髋等主要活动关节。 “筛减时，我们舍弃了面部等(děng)非必要区域的关键点，保留下来的都是能影响人体可能(kěnéng)触及最大空间范围的关键点。”褚明说。 有了人体的动态模型，团队利用工业机器人(jīqìrén)内置的光电码盘传感器，实时获取(huòqǔ)各个轴关节角度数据，仅用(jǐnyòng)9个关键点即可完整重构机器人运动姿态。 就这样，仅仅(jǐnjǐn)靠34个关键点，团队便完成了人和机器人的(de)建模。这种高度简化的建模方式，大大降低了系统(xìtǒng)数据计算量，有效提升了数字孪生场景的构建效率，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，挑战远未(wèi)结束。 采访中，记者曾变换各种动作和距离，屡屡试图“碰瓷”机器人(jīqìrén)。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(dì)横亘在(zài)记者和机器人之间，并不断变换着距离数据。随着距离数据的变化，机械臂或转速下降，或瞬间(shùnjiān)停止，始终与记者保持着安全距离。 “这根(zhègēn)黄线，标注的是人(rén)和机器人间的最短距离。”褚明说，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(zuòchū)声光预警、减速运行、紧急停机等指令。 为找到这条黄线，去年毕业的博士生、团队(tuánduì)核心成员陈宇足足花了一年多(duō)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(jīxiè)臂始终(shǐzhōng)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中不断(bùduàn)交织，形成高度复杂的动态(dòngtài)空间关系。 为了更真实地计算人体与机器人(jīqìrén)的安全(ānquán)距离，研究团队还考虑到(dào)人的胖瘦对二者距离的影响，根据成年人的体型中位数，在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”。 “多次试验验证，系统的(de)距离测量误差(cèliángwùchā)已经被严格控制(yángékòngzhì)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，这个精度窗口是经过反复推敲后(hòu)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。 当人(dāngrén)靠近六轴桌面式协同机械臂，电脑屏幕上立刻浮现数道红色线条勾勒出人体的骨骼结构。同时，在人与机械臂之间动态生成一条明黄色(huángsè)线条实时测量二者距离。图为实验过程中拍摄(pāishè)的电脑屏幕显示画面(huàmiàn)。褚明供图 成本低、部署快，产业化优势突出(tūchū) “安装复杂吗？成本会不会很高(gāo)？”在第二届雄安未来之城场景(chǎngjǐng)汇雄安国际机器人大赛上，“数字孪生驱动的(de)人机协作安全距离快速感知系统”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，褚明的回答令他们(tāmen)眼前一亮。 “这套系统的部署极其简单(jiǎndān)，就像在工厂安装普通监控(jiānkòng)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(mózǔ)，每个定焦深度相机可精准覆盖6米远(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(shì)，如果监测范围需要扩大，只需线性增加摄像头数量，无需额外复杂配置，大幅降低了(le)整体投入。 兼容性强、成本低、部署快(kuài)，该系统的种种优势，让(ràng)不少制造企业当场就表达了合作意向。 一家焊接(hànjiē)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：在自动化焊接产线上，虽然核心焊接工序由机械臂完成，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(yìwài)碰撞，又(yòu)要躲避飞溅的高温焊渣，安全风险居高不下。 “对我们这样(zhèyàng)的焊接企业来说，这套系统绝对是刚需。”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)捆绑销售作为机械臂的增值服务(fúwù)，提升产品竞争力。 企业之外，沧州市招商部门也向褚明(chǔmíng)详细介绍了各种产业化扶持政策，表达了助力这项(zhèxiàng)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(de)就是让这项技术接受市场的真实(zhēnshí)检验，看它是否能切实解决企业的安全生产痛点。”褚明说，他们(tāmen)希望通过这种方式，持续优化技术方案，推动实验室成果走出(zǒuchū)象牙塔，真正服务实体经济。 在推动(tuīdòng)项目落地产业化的同时，团队在人机共存领域的研究仍在持续深化(shēnhuà)。 “目前，我们正在研究从仿真到实体的相关课题，推动人机(rénjī)协作向更高层级发展(fāzhǎn)。”褚明介绍，他们的研究大方向是让(ràng)机器人不仅能感知人的存在，更能理解人的意图，推动人机共存走向人机共融。 “工业4.0实现了生产数字化，但其本质仍是机器主导的生产模式，人只是被动地嵌入(qiànrù)其中(qízhōng)。而正在兴起的工业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(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(gōngrén)完成30多道工序，频繁切换十余种工具来取放微小(wēixiǎo)元器件，不仅劳动强度大(dà)，效率也不高。”褚明说，理想的人机协作应该是，当(dāng)工人伸手准备焊接时，机械臂能智能识别这一意图，主动递送焊枪(hànqiāng)；当需要安装微型电容时，又(yòu)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，正是我们努力研究的(de)方向。”褚明相信，这一天(yītiān)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(cānsài)项目所用的深度相机，它(tā)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摄 一个深度相机，一个软件(ruǎnjiàn)模块，靠着(kàozhe)这样的简单组合，“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(zhuàngtài)。 极简实体(shítǐ)、极速感知、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(duō)“简”，过程就有多“繁”。 采访中，褚明一开始并没有急于展示(zhǎnshì)成果，而是先回顾了一段失败(shībài)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)技术路径颇具吸引力，模拟人类双眼的立体视觉测距原理，计算深度(shēndù)相机发射的调制光线的往返时间差，来(lái)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所有关键点计算一遍，庞大的计算量导致建模延迟，远达(yuǎndá)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)的关键点捕捉功能(gōngnéng)，通过精心筛选25个(gè)人体关键点和9个机械臂节点，将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(dédào)质的飞跃。 让机器人实现智能，每一步都不容易(róngyì)。 为了(wèile)找到合适的深度相机，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(xiángxì)数据。为了获取更多详细数据，她不得不一家家联系(liánxì)厂商，有时甚至要跨时区与国外厂家反复沟通。 “有多少人工，才(cái)有多少智能(zhìnéng)。”采访中，褚明反复提及的这句话，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。 在采访尾声，褚明(chǔmíng)特别提到德国(déguó)工业5.0倡导的人机共融愿景。那时候，机器人不再是冰冷的执行者，而是能理解(lǐjiě)意图、预判需求的智能伙伴。 这种充满温度的(de)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)必将绽放更多可能。 文/河北日报记者(jìzhě) 周聪聪 关注(guānzhù)河北日报，了解更多权威资讯