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BIRTV 2025 TVU参展预告:创新二十载 携手向未来

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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,项目负责人褚明(中)指导团队核心成员(héxīnchéngyuán)开展相关实验。河北日报记者周聪聪摄(shè) 在人机协同作业日益普及的今天,工人(gōngrén)在生产线上与机器人(jīqìrén)“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(shàng),参赛项目“数字孪生驱动的(de)人机协作安全距离快速感知系统”为这个(zhègè)难题给出了创新解决方案。 48毫秒(háomiǎo)的超快响应速度、无需外挂设备就能(néng)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(qūdòng)的人机协作安全距离快速(kuàisù)感知系统”现场演示(yǎnshì)。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(jīxiè)臂轻盈(qīngyíng)舞动关节,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(chū)人体的骨骼结构。同时,一道在(zài)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(jiǎnsù)”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(shì),“数字孪生驱动的人机协作安全距离(jùlí)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(guójì)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(róngyīng)大赛一等奖。 人机协作的安全(ānquán)距离,是这项研究的核心问题。 或许有人会疑惑,机器人不都是按照预设程序精准作业的吗?为何(wèihé)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’,这种说法其实高估了它(tā)的(de)智能水平。”项目负责人、北京邮电大学智能工程(gōngchéng)与(yǔ)自动化学院教授褚明解释,机器人确实能高效(gāoxiào)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,机器人作业时甚至需要被铁丝网隔离,以确保人员安全。 如今,随着技术的突破性发展,机器人(jīqìrén)总动员正成为智能制造(zhìzào)新常态。 “然而,在(zài)人机共存的生产环境(huánjìng)中,安全防护体系仍面临严峻挑战,工业机器人事故时有发生(shíyǒufāshēng)。”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(rénjī)安全监测主要依赖激光雷达、红外和(hé)声波测距等技术(jìshù),但都存在明显缺陷。”褚明分析,这类设备几乎(jīhū)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(límǐ)。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:声波测距只能测量到(dào)正面相对的(de)区域(qūyù),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。 鉴于硬件方案存在的(de)成本(chéngběn)高、干扰(gānrǎo)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(zài)不依赖外挂设备的情况下,就能实现360度全(dùquán)场景的安全监测? 2021年(nián),褚明研究团队的这一构想,引起(yǐnqǐ)了西门子创新研究院的兴趣。 基于和北京邮电大学(běijīngyóudiàndàxué)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。 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(jìshù)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(ānquán)直觉,还赋予(fùyǔ)其比人类更快的反应能力。 “人类在保持清醒(qīngxǐng)的(de)前提下,发现危险并作出反应(zuòchūfǎnyìng)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毫秒就能完成安全距离感知,响应速度是人类的2.5倍。 褚明说,这套系统不仅反应快,还能“一心六用(liùyòng)”,同时追踪6个(gè)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1日拍摄(shè)的参赛项目所用深度相机,它能让机器人(jīqìrén)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(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(wǒmen)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(zhèshì)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。 这台深度相机性能强大,每(měi)秒能拍摄(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(zhèyī)特性,构建了(le)一个实时运转的数字孪生世界:相机采集的人体骨骼数据(shùjù)和机械臂运动轨迹,在虚拟空间中同步生成动态模型,通过算法实时计算(jìsuàn)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,如何在远低于人类反应速度的(de)48毫秒内完成(wánchéng)? 指着电脑屏幕上(shàng)那些与(yǔ)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(wǒmen)看到的是人和机器人的互动,但在(zài)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(bāokuò)手指尖(shǒuzhǐjiān)、脚尖等人体最远端,以及肩、肘、髋等主要活动关节(guānjié)。 “筛减时,我们舍弃了(le)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内置的光电(guāngdiàn)码盘传感器,实时获取各个轴关节(guānjié)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,仅仅靠34个(gè)关键点,团队便完成了人和机器人的建模。这种(zhèzhǒng)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,要实现(shíxiàn)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(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(shǐzhōng)如影随形地横亘在(zài)记者和机器人之间,并不断变换着距离数据(shùjù)。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距离。 “这根黄线,标注的(de)是(shì)人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,向机器人做出声光预警(yùjǐng)、减速运行、紧急停机等指令。 为找到这条黄线,去年毕业(bìyè)的博士生、团队核心成员陈宇足足(zúzú)花了一年多时间。 “两个‘骨架’关键点间连成的(de)(de)线成千上万(chéngqiānshàngwàn)条,这其中,哪条才是最短的?”陈宇解释,不(bù)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,两者的运动轨迹在三维空间中不断交织,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安全距离,研究团队还(hái)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(jiāonáng)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)距离测量误差已经被严格控制在(zài)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。 当人靠近六轴桌面式(zhuōmiànshì)协同(xiétóng)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(jiégòu)。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(túwèi)实验过程中拍摄的电脑屏幕显示画面。褚明供图 成本低、部署快(kuài),产业化优势突出 “安装复杂吗?成本会不会很高?”在第二届雄安未来之城(chéng)场景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(jīngjìxìng),成为许多参观者驻足(zhùzú)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)极其(jíqí)简单,就像(xiàng)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仅2万元(wànyuán)。 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数量,无需额外复杂配置,大幅(dàfú)降低了(le)整体投入。 兼容性强、成本低、部署(bùshǔ)快,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。 一家焊接机器人企业负责人向褚明坦言,他们正面临严峻的人机(rénjī)协作安全挑战(tiǎozhàn):在自动化焊接产线上,虽然核心焊接工序由机械(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(fángfàn)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(kěyǐ)与机械臂(bì)捆绑销售作为机械臂的增值服务,提升产品竞争力(jìngzhēnglì)。 企业之外(zhīwài),沧州市招商部门也向(xiàng)褚明详细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(qǐyè)的安全生产痛点。”褚明说(míngshuō),他们希望通过这种方式,持续优化技术方案,推动实验室成果走出象牙塔,真正服务实体经济(jīngjì)。 在推动项目落地产业化的同时,团队在人机(rénjī)共存领域(lǐngyù)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(gòngróng)。 “工业(gōngyè)4.0实现了生产数字化,但其本质仍(réng)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则强调人机融合,在共同的工作环境中开展更(gèng)精密、更智能的协作。”褚明解释。 未来的人机协作(xiézuò)会是怎样一幅新图景? “以电路板精密(jīngmì)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(shíyúzhǒng)工具来取放微小元器件,不仅劳动强度大,效率也(yě)不高。”褚明说,理想的(de)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,又能精准奉上对应元件。这样的场景下,机器人(jīqìrén)就像个得力的智能助手,始终默契配合,和人达到(dádào)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(rìbào)记者 周聪聪) 7月1日,团队核心成员展示参赛项目所用的深度相机,它能让(ràng)机器人在“零穿戴”的情况(qíngkuàng)下拥有(yōngyǒu)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(de)简单组合,“数字孪生驱动(qūdòng)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(qiánzài)安全风险扼杀在萌芽状态。 极简(jíjiǎn)实体、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(chéngguǒ)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成果(chéngguǒ),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(kēyángōngzuò)的真实轨迹。 最初,团队(tuánduì)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,计算深度相机发射的调制(tiáozhì)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,系统需要把遍布人体表面的所有关键点(guānjiàndiǎn)计算一遍(yībiàn),庞大的计算量导致建模延迟,远达不到工业安全防护(fánghù)响应的时效要求。 就这样(zhèyàng),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(de)(de)关键点捕捉功能,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(fùzá)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(měi)一步都不容易。 为了找到合适的深度相机,团队核心成员张萌花(zhāngménghuā)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(shènzhì)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,褚明反复(fǎnfù)提及的这句话,道破了人工智能研究(yánjiū)的真谛。 而创新的魅力,恰恰藏(cáng)在这份“极简”与“极繁”的辩证之中。 在采访尾声,褚明特别提到(tídào)德国工业5.0倡导的(de)人机共融愿景。那时候(shíhòu),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(chōngmǎn)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,科技创新的未来必将绽放更(gèng)多可能。 文(wén)/河北日报记者 周聪聪 关注河北日报,了解更多权威(quánwēi)资讯
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