BIRTV 2025 TVU参展预告:创新二十载 携手向未来
BIRTV 2025 TVU参展预告:创新二十载 携手向未来
BIRTV 2025 TVU参展预告:创新二十载 携手向未来
7月1日,项目(xiàngmù)负责人褚明(中)指导团队核心成员开展相关(xiāngguān)实验。河北日报记者周聪聪摄
在人机(rénjī)协同作业日益普及的(de)今天,工人在生产线上与机器人“并肩作战”时,真的足够安全吗?如果(rúguǒ)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快速感知(gǎnzhī)系统”为(wèi)这个(zhègè)难题给出了创新解决方案。
48毫秒的超快响应速度、无需外挂设备就能实现360度无死角安全防护(fánghù)、低至2万元(wànyuán)的部署成本……凭借这些突破性优势,该项目成功斩获大赛一等奖,重新定义着工业场景下人机(rénjī)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(jīqìrén)大赛上(shàng),参赛项目“数字孪生驱动的人机协作安全距离快速感知系统”现场(xiànchǎng)演示。褚明供图
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(qīngyíng)舞动关节,但当人靠近,一旁(yīpáng)的电脑屏幕上立刻浮现数道醒目的红色线条,勾勒出(chū)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,并据此给机器人下达“停机”“减速”等指令,将有(yǒu)可能对人(duìrén)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(luánshēng)驱动(qūdòng)的人机协作安全距离快速感知系统”展示着毫秒级的危险预警能力。
在第二届雄安未来之城场景汇雄安国际机器人大赛上,该项目凭借出色的实时(shíshí)感知(gǎnzhī)性能和人机交互安全性,从众多参赛项目中(zhōng)脱颖而出,荣膺大赛一等奖。
人机协作的安全距离,是这项(zhèxiàng)研究的核心问题。
或许有人会疑惑,机器人(jīqìrén)不都是按照预设程序精准作业的吗(ma)?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(gāogū)了它的(de)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的程度。在早期工业应用中,机器人作业时(shí)甚至(shènzhì)需要被铁丝网隔离,以确保人员安全。
如今(rújīn),随着技术的突破性发展,机器人总动员正成为智能制造(zhìzào)新常态。
“然而,在人机共存的生产(shēngchǎn)环境中,安全(ānquán)防护体系仍面临严峻挑战(tiǎozhàn),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、红外和声波测距(cèjù)等技术,但都存在明显缺陷。”褚明分析,这类设备几乎全要外挂(wàiguà)在机器人上(shàng),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(zhèyàng)一个瓶子(píngzi),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(gèlèi)技术还有各种(gèzhǒng)局限:声波测距只能测量到(dào)正面相对的区域,存在监测盲区;激光雷达虽能全向覆盖,但响应速度慢且成本高昂,单台价格超6万元。
鉴于硬件(yìngjiàn)方案存在的成本高、干扰作业等(děng)现实问题,多数企业选择依赖(yīlài)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(wàiguà)设备的情况下,就(jiù)能实现360度全场景的安全监测?
2021年,褚明研究团队的(de)这一构想,引起了西门子创新(chuàngxīn)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,西门子创新研究院决定(juédìng)投入专项研发(yánfā)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,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。不仅能使轻装上阵(qīngzhuāngshàngzhèn)的机器人(jīqìrén)拥有安全直觉(zhíjué),还赋予其比人类更快的反应能力。
“人类在保持清醒的前提下,发现危险并(bìng)作出反应的平均时间是120毫秒。”褚明一脸自豪地表示,但这套系统仅需48毫秒就(jiù)能完成安全距离感知,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(zuòyè)人(rén)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1日拍摄(shè)的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
给机器人装上“天眼(tiānyǎn)”,360度无死角安全防护
“让机器人拥有安全直觉(zhíjué),传统(chuántǒng)方案是给它‘穿盔戴甲’,我们的办法(bànfǎ)则是‘开天眼’。”拿起一个纸抽大小(dàxiǎo)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“零穿戴”的情况下拥有360度全场景视角。
这台深度相机性能(néng)强大,每秒能拍摄60帧画面(huàmiàn),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世界:相机采集的人体骨骼数据和机械臂(bì)运动轨迹,在虚拟空间中同步生成动态模型,通过算法(suànfǎ)实时计算碰撞风险,实现从感知到(dào)防护的无缝衔接。
数据采集、孪生(luánshēng)建模、风险计算……这一系列复杂运算(yùnsuàn),如何在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)动作神同步的红色线条,褚明道破(dàopò)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(xiàngjī)通过(tōngguò)识别(shíbié)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,团队进一步筛选出其中25个关键点,包括手指尖、脚尖等人体最远(zuìyuǎn)端,以及肩、肘、髋等主要活动关节。
“筛减时,我们舍弃了面部等非必要(fēibìyào)区域的关键点,保留(bǎoliú)下来的都是能影响人体可能触及最大空间范围的关键点。”褚明说。
有了人体的(de)动态模型,团队(tuánduì)利用工业(gōngyè)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,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(le)人和机器人的建模(jiànmó)。这种高度简化的建模方式,大大降低了系统数据(shùjù)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(bùguò),要实现真正可靠的人机安全协同,挑战远未结束。
采访中,记者曾变换各种动作和距离,屡屡试图“碰瓷”机器人。但遗憾的(de)是,一次都(dōu)没成功。电脑屏幕上(shàng),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,始终与记者保持着安全(ānquán)距离。
“这根黄线,标注的是人和机器人间的最短距离。”褚明说(míngshuō),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(ānquán)阈值,向机器人做出声光预警、减速运行、紧急停机等(děng)指令。
为找到这条黄线,去年毕业(bìyè)的(de)博士生、团队核心成员陈宇足足花了一年多时间。
“两个‘骨架’关键点间(jiān)连成的线成千上万条,这其中(qízhōng),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(liǎngzhě)的运动轨迹在三维空间(kōngjiān)中不断交织,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(de)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,在骨骼模型基础上做了一层“胶囊体”,为数字模型(shùzìmóxíng)穿(chuān)上了一层“肌肉外衣”。
“多次试验验证(yànzhèng),系统的距离测量误差已经(yǐjīng)被严格控制在3.5%以内,相当于当实际距离为1米时,系统测量值在96.5至103.5厘米之间波动(bōdòng)。”褚明说,这个精度窗口是经过(jīngguò)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(chǎngjǐng)下的绝对安全。
当人(rén)靠近六轴桌面式协同机械臂,电脑屏幕上立刻浮现数道(shùdào)红色线条(xiàntiáo)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线条实时测量(cèliáng)二者距离。图为实验过程中拍摄的电脑屏幕显示画面。褚明供图
成本低、部署(bùshǔ)快,产业化优势突出
“安装(ānzhuāng)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(huídá)令他们眼前一亮。
“这套系统的(de)部署(bùshǔ)极其简单,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,每个定焦深度相机可(kě)精准覆盖6米远范围,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,如果监测范围需要扩大,只需线性增加摄像头(shèxiàngtóu)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(xìtǒng)的种种优势,让不少制造企业当场就表达了合作意向(hézuòyìxiàng)。
一家焊接机器人企业负责人向褚明坦言,他们正面临(miànlín)严峻(yánjùn)的人机协作安全挑战:在自动化焊接产线上,虽然核心焊接工序由机械臂完成,但上下料环节仍需人工介入。工人(gōngrén)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(hànzhā),安全风险居高不下。
“对我们这样的焊接企业来说(láishuō),这套系统(xìtǒng)绝对是刚需。”这位(zhèwèi)企业负责人还对该系统产业化提出建议,除独立销售外,还可以与机械臂捆绑销售作为机械臂的增值服务,提升产品竞争力。
企业(qǐyè)之外,沧州市招商部门也向褚明详细(xiángxì)介绍了各种产业化扶持政策,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(chǎngjǐng)汇(huì),目的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企业的安全生产痛点。”褚明说,他们希望(xīwàng)通过这种方式,持续优化技术方案,推动实验室成果走出象牙塔,真正(zhēnzhèng)服务实体经济。
在(zài)推动项目落地产业化的同时(tóngshí),团队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(de)相关(xiāngguān)课题,推动人机协作向更高层级发展。”褚明(chǔmíng)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,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(dàn)其本质仍是机器主导的生产模式,人只是被动地嵌入其中。而正在兴起的工业5.0则(zé)强调人机融合,在共同的工作环境中开展更精密(jīngmì)、更智能的协作。”褚明解释。
未来的人机(rénjī)协作会是怎样一幅新图景?
“以电路板(diànlùbǎn)精密装配为例,目前这类精密装配仍需工人完成30多(duō)道工序,频繁切换十余种工具来取放微小元器件(yuánqìjiàn),不仅劳动强度大,效率也不高。”褚明说,理想的人机协作应该是,当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;当需要安装微型电容时,又能精准奉上(fèngshàng)对应元件。这样的场景(chǎngjǐng)下,机器人就像个得力的智能助手,始终默契配合,和(hé)人达到心有灵犀的协作水平。
“而这,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(rìbào)记者(jìzhě) 周聪聪)
7月1日,团队核心成员展示参赛项目(xiàngmù)所用的(de)深度相机,它能(néng)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
一个深度相机,一个软件模块,靠着这样的简单组合,“数字孪生(luánshēng)驱动的人机协作(xiézuò)安全距离快速感知系统”实现了(le)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。
极简实体、极速(jísù)感知、极度安全,项目负责人褚明用三个(sāngè)“极”来概括这项成果的特点。
但成果有多“简”,过程就(jiù)有多“繁”。
采访(cǎifǎng)中,褚明一开始并没有(méiyǒu)急于展示成果,而是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)技术路径颇具吸引力(xīyǐnlì),模拟人类双眼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(réntǐ)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(wèile)找到最近距离(jùlí)点,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(yánchí),远达不到工业安全防护响应的时效要求。
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捕捉功能,通过(tōngguò)精心筛选(shāixuǎn)25个人体关键点和9个机械臂节点,将原本复杂的建模过程(guòchéng)简化。思路的转变,让数字(shùzì)孪生建模效率得到质的飞跃。
让机器人实现智能(zhìnéng),每一步都不容易。
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数据。为了获取(huòqǔ)更(gèng)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沟通。
“有多少人工,才有多少智能。”采访中(zhōng),褚明反复提及(tíjí)的这句话,道破了人工智能研究的真谛。
而创新的魅力,恰恰藏在这份“极简”与(yǔ)“极繁”的辩证之中。
在采访尾声(wěishēng),褚明特别提到德国工业(gōngyè)5.0倡导的人机共融愿景(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(de)技术想象,让我们(wǒmen)有理由相信,当极简的智能与极繁的探索持续碰撞,科技创新的未来必将绽放更多可能。
文/河北日报记者 周聪聪(cōngcōng)
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