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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(zhōng))指导团队核心成员开展相关实验。河北日报记者(jìzhě)周聪聪摄 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“并(bìng)肩作战”时,真的足够安全吗?如果答案并不似我们想象(xiǎngxiàng)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(chéng)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系统”为这个难题给出(gěichū)了(le)创新解决方案。 48毫秒的超快响应速度(xiǎngyìngsùdù)、无需(wúxū)外挂设备就能实现360度无死角(sǐjiǎo)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,重新定义着工业场景下人机协作的安全标准。 6月12日,第二届雄安(xióngān)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(ānquán)距离快速感知系统”现场演示。褚明供图(gōngtú) 超快(chāokuài)反应,让人与机器人安全协作 六轴桌面式协同机械(jīxiè)臂轻盈舞动关节,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(shíshí)测量二者(èrzhě)距离,并据此(jùcǐ)给机器人下达“停机”“减速”等(děng)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,“数字孪生驱动的人机协作安全距离快速感知系统(xìtǒng)”展示着(zhe)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感知性能(xìngnéng)和人机交互安全性,从(cóng)众多参赛项目中脱颖而出(tuōyǐngérchū),荣膺大赛一等奖。 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,机器人不都是按照预设程序精准(jīngzhǔn)作业的吗?为何还需要专门(zhuānmén)研究人和机器人的安全距离? “人们把(bǎ)机器人称为‘人’,这种说法其实高估了它的(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重复性、高强度的任务,但它的智能远未达到(dádào)与人类真正协同共处的程度。在(zài)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(rényuán)安全。 如今,随着技术的突破性发展,机器人总动员(zǒngdòngyuán)正成为(chéngwéi)智能制造新常态。 “然而,在人机共存的生产环境中,安全防护体系仍(réng)面临严峻挑战,工业机器人事故(shìgù)时有发生。”褚明(chǔmíng)介绍,其中机器人制造和焊接是事故高发领域。 “当前(dāngqián)工业领域的人机安全监测主要依赖(yīlài)激光雷达、红外和(hé)声波测距等技术,但都(dōu)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,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;激光雷达虽能全向覆盖(fùgài),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(qǐyè)选择依赖管理规范等软性防护(fánghù)。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(yòu)导致事故频发。 能否(néngfǒu)让机器人轻装上阵,在不依赖(yīlài)外挂设备的情况下,就能实现360度全场景的安全监测? 2021年,褚明研究团队的这一构想,引起(yǐnqǐ)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(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(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)数字孪生技术与计算机(jìsuànjī)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(nénglì)。 “人类在保持清醒的前提(qiántí)下(xià),发现(fāxiàn)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”,同时追踪6个作业人(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(xiǎngyìng)。 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。河北日报记者(jìzhě)周聪聪摄 给机器人装上(shàng)“天眼”,360度无死角安全防护 “让机器人(jīqìrén)拥有安全直觉,传统方案是给它‘穿盔戴甲’,我们(wǒmen)的办法则(zé)是‘开天眼’。”拿起一个纸抽大小的白色深度相机,褚明轻轻(qīngqīng)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(shēndù)相机性能强大,每秒能拍摄60帧画面,相当于(xiāngdāngyú)每16.67毫秒就能完成一次对人的动态捕捉。 研究(yánjiū)团队巧妙利用这一特性,构建了一个实时(shíshí)运转的数字孪生世界(shìjiè):相机采集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,通过算法实时计算碰撞(pèngzhuàng)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(diànnǎopíngmù)上那些与人体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(lǐ),我们构建的却是极简主义(zhǔyì)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(tuánduì)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(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。 有了人体的动态模型,团队利用(lìyòng)工业机器人内置的光电码盘传感器,实时获取各个轴(zhóu)关节角度(jiǎodù)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。这种高度简化的建模方式,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(bǎozhàng)。 不过,要实现真正(zhēnzhèng)可靠的人机安全协同,挑战远未结束。 采访中(zhōng),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(bì)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(zhègēn)黄线,标注的是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(zuòchū)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花了(le)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,哪条才是(shì)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(yùndòng)状态。特别是人体动作具有天然的随机性和不可预测性(kěyùcèxìng),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(ānquán)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(gǔgé)模型基础(jīchǔ)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,系统的距离测量误差已经被严格控制在3.5%以内(yǐnèi),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(zhègè)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(dàilái)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)协同机械臂,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(zhōng)拍摄(pāishè)的电脑屏幕显示画面。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(huì)不会很高?”在第二届雄安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(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(rèdiǎn)。 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(ruǎnjiàn)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(qūyù)的部署成本仅2万元。 更令人惊喜的是,如果监测范围(fànwéi)需要扩大,只需线性增加摄像头数量,无需额外复杂配置,大幅降低了整体投入(tóurù)。 兼容性强、成本低、部署快,该系统的种种优势,让不少(bùshǎo)制造(zhìzào)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(miànlín)严峻的人机协作安全挑战(tiǎozhàn):在自动化焊接产线上,虽然核心焊接工序由机械臂完成,但上下料环节仍需人工(réngōng)介入(jièrù)。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(de)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(tíshēng)产品竞争力。 企业之外,沧州市招商(zhāoshāng)部门也向褚明详细介绍了各种产业化扶持(fúchí)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(dìyīcì)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,看它是否能切实解决企业的安全生产痛点(tòngdiǎn)。”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(shíyànshì)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,团队在人机共存(gòngcún)领域的研究仍在持续深化。 “目前,我们正在研究(yánjiū)从仿真到(dào)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,更能理解人的意图(yìtú),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。而正在(zài)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(jīngmì)、更智能的协作。”褚明解释(jiěshì)。 未来的人机协作(xiézuò)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完成30多道工序,频繁切换十余种工具(gōngjù)来取放微小元器件,不仅劳动强度大,效率(xiàolǜ)也不高。”褚(chǔ)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(yòu)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,和人达到心有灵犀的协作水平(shuǐpíng)。 “而这(zhè),正是我们努力研究的方向(fāngxiàng)。”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深度相机,它(tā)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(cōngcōng)摄 一个深度相机,一个软件模块,靠着(kàozhe)这样的简单组合,“数字孪生驱动的人机(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(èshā)在萌芽状态。 极简实体、极速感知、极度(jídù)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“简”,过程(guòchéng)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(le)一段失败的经历。这个(zhègè)坦诚的开场,让记者了解了科研工作的真实轨迹。 最初,团队选择的技术路径颇具吸引力,模拟人类双眼(shuāngyǎn)的立体视觉测距原理,计算深度(shēndù)相机发射的调制光线(guāngxiàn)的往返时间差,来构建人体三维轮廓。 这种仿生学(fǎngshēngxué)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计算一遍,庞大的计算量导致建模延迟,远达(yuǎndá)不到工业(gōngyè)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(tiáozhěng)思路,利用深度相机自带的关键点捕捉功能,通过精心(jīngxīn)筛选25个人体关键点和(hé)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质(zhì)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了三个多月,对比(duìbǐ)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(bùdébù)一家家(yījiājiā)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,褚明反复提及的这句话,道破了人工智能研究(yánjiū)的真谛(zhēndì)。 而创新的魅力,恰恰藏在这份“极简”与“极繁”的辩证之中(zhīzhōng)。 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,机器人不再(bùzài)是冰冷的执行者,而是能理解意图、预判需求的智能伙伴。 这种充满温度的技术想象,让我们有理由相信,当极(dāngjí)简的智能与极繁的探索持续碰撞(pèngzhuàng),科技创新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(liǎojiě)更多权威资讯
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