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(xiétóng)作业日益普及的今天，工人在生产线上与机器人“并肩作战”时(shí)，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(gòngcún)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(xiézuò)安全距离快速感知(gǎnzhī)系统(xìtǒng)”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，该项目成功斩获大赛一等奖，重新定义着(zhe)工业(gōngyè)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“数字孪生驱动的人机(rénjī)协作安全距离快速感知(gǎnzhī)系统”现场演示。褚明供图(gōngtú) 超快反应，让(ràng)人与机器人安全协作 六轴桌面式协同机械臂轻盈舞动关节，但当人(dāngrén)靠近，一旁的(de)电脑屏幕(diànnǎopíngmù)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(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，“数字孪生驱动的(de)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。 在第二届雄安未来之城场景汇雄安国际机器人大赛上，该(gāi)项目凭借(píngjiè)出色的实时(shíshí)感知性能和人机交互安全性，从众多参赛项目中脱颖而出，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，机器人不都是按照预设程序精准作业的(de)吗？为何还(hái)需要专门研究人和机器人的安全距离？ “人们把机器人称为(chēngwéi)‘人’，这种说法其实高估了它(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(zhōng)，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(fāzhǎn)，机器人总动员正成为智能制造新(xīn)常态。 “然而(ránér)，在人机共存的生产环境中，安全防护体系仍面临严峻挑战，工业机器人事故时有发生。”褚明(chǔmíng)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(yīlài)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，这类设备(shèbèi)几乎全要外挂在机器人上，以激光雷达为例(wèilì)，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(bùjǐn)影响工作的灵活性，甚至(shènzhì)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(zhèngmiàn)相对的区域，存在(cúnzài)监测盲区；激光雷达虽能全向覆盖，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(fāngàn)存在的成本高、干扰作业等现实问题，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(cāozuò)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(yīlài)外挂设备的(de)情况下，就能实现360度全场景的安全监测？ 2021年，褚明研究团队的(de)(de)这一构想，引起了西门子创新研究院的兴趣。 基于(jīyú)和北京邮电大学既有的校企联合(liánhé)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(miànduì)传统(chuántǒng)硬件方案“笨重昂贵”与“防护滞后”的双重困境，褚明带领团队(tuánduì)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(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(jùlí)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”，同时追踪6个作业人员的人机距离，确保(quèbǎo)每个人都能获得同样迅捷的防护响应(xiǎngyìng)。 7月1日拍摄(pāishè)的参赛项目所用深度相机，它能让机器人在“零穿戴”的情况(qíngkuàng)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(tiānyǎn)”，360度无死角安全防护 “让机器人拥有安全直觉(zhíjué)，传统方案是给它‘穿盔戴甲’，我们的(de)办法则(zé)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“零(líng)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毫秒就能完成一次对人(rén)的动态捕捉。 研究(yánjiū)团队巧妙利用(lìyòng)这一特性，构建了一个实时运转的数字孪生世界：相机采集(cǎijí)的人体骨骼数据和机械臂运动轨迹，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(jiànmó)、风险计算……这一系列复杂(fùzá)运算，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动作神同步的(de)红色线条，褚明道破秘诀(mìjué)所在。 “现实中我们看到的是(shì)人和机器人的互动，但在数据世界里，我们构建(gòujiàn)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(qízhōng)25个关键点，包括手指尖、脚尖等人体最远端，以及肩(jiān)、肘、髋等主要活动关节(guānjié)。 “筛减时，我们舍弃(shěqì)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触及最大空间范围的关键点。”褚明说。 有了(le)人体的(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，仅用9个关键点即可完整重构(zhònggòu)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(gāodù)简化的建模方式，大大降低(dàdàjiàngdī)了系统数据计算量，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(bǎozhàng)。 不过，要(yào)实现真正可靠的人机安全协同，挑战远未结束。 采访中，记者(jìzhě)曾变换各种动作和距离，屡屡试图“碰瓷”机器人。但遗憾的是，一次都没成功。电脑屏幕(diànnǎopíngmù)上，一条(yītiáo)黄线始终如影随形地横亘在记者和机器人之间(zhījiān)，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距离。 “这根黄线，标注的是(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(dīwēi)、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(jǐnjí)停机等指令。 为找到这条黄线，去年毕业的(de)博士生、团队核心成员陈宇(chényǔ)足足花了一年多时间。 “两个‘骨架’关键点间连成的(de)线成千上万条，这其中，哪条才是最短(duǎn)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(zhuàngtài)。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中不断交织，形成高度复杂的动态空间关系。 为了更(gèng)真实(zhēnshí)地计算人体与机器人的安全距离，研究团队还考虑(kǎolǜ)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”，为数字模型穿上了一层“肌肉外衣”。 “多次(duōcì)试验验证，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(mǐ)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(ānquán)。 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红色(hóngsè)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二者距离。图为实验(shíyàn)过程中拍摄的电脑屏幕显示画面。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？”在第二届雄安(xióngān)未来之城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(biànjiéxìng)和经济性(jīngjìxìng)，成为许多参观者驻足咨询的热点。 对此，褚明的回答令他们眼前一亮(yǎnqiányīliàng)。 “这套系统的部署极其简单，就像在工厂安装普通(pǔtōng)监控摄像头一样便捷。”褚明说，系统的运行，仅(jǐn)依赖深度相机和(hé)软件(ruǎnjiàn)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。 更令人惊喜的是，如果监测范围需要扩大，只需线性增加(zēngjiā)摄像头数量，无需额外复杂配置，大幅(dàfú)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(biǎodá)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(zìdònghuà)焊接产线上，虽然核心焊接工序由机械(jīxiè)臂(bì)完成，但上下料环节(huánjié)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焊渣，安全风险居高不下。 “对我们这样的焊接企业来说(láishuō)，这套系统绝对是刚需。”这位企业负责人还对该(gāi)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(fúwù)，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(le)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(wǒmen)第一次参加雄安场景汇(huì)，目的就是让这项技术(jìshù)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(zài)(zài)推动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。 “目前(mùqián)，我们正在研究从仿真(fǎngzhēn)到实体的相关课题，推动人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感知人的存在，更能理解(lǐjiě)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，人只是被动地嵌入其中(zhōng)(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。 未来的人机协作会是怎样一幅新图景(tújǐng)？ “以电路板(diànlùbǎn)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元器件，不仅劳动强度大，效率也(yě)不高。”褚明说，理想的人机协作(xiézuò)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(jīngzhǔn)奉上对应元件。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(búhuì)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，它能让(ràng)机器人在“零穿戴”的情况下拥有360度全场景视角(shìjiǎo)。河北日报记者周聪聪摄 一个深度相机，一个软件模块(mókuài)，靠着这样的简单组合，“数字孪生驱动(qūdòng)的人机(rénjī)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。 极简实体、极速感知、极度安全(ānquán)，项目(xiàngmù)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，褚明一开始并没有急于展示成果，而是先回顾了一段失败的(de)经历。这个坦诚的开场，让记者了解(liǎojiě)了科研工作的真实轨迹。 最初，团队选择(xuǎnzé)的技术路径颇具(pǒjù)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光线的往返时间差，来构建人体三维(sānwéi)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(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(liàng)导致建模延迟，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(zhōng)寻找希望，团队再次调整思路，利用(lìyòng)深度相机自带的关键点捕捉功能，通过精心筛选(shāixuǎn)25个人体关键点和9个机械臂节点，将原本复杂的建模(jiànmó)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(shíxiàn)智能，每一步都不容易。 为了找到合适的深度相机，团队核心成员张萌花了三个多月(duōyuè)，对比了三十多款(kuǎn)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(kuà)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(le)人工智能研究的真谛。 而创新的魅力，恰恰藏在这份(zhèfèn)“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)人机共融愿景。那时候，机器人不再是冰冷(bīnglěng)的执行者，而是能理解意图、预判(yùpàn)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(chíxù)碰撞，科技创新(chuàngxīn)的未来必将绽放更多可能。 文/河北日报(rìbào)记者 周聪聪 关注河北日报，了解更多权威资讯(zīxùn)