雄安未来之城场景汇｜四十八毫秒响应，让机器人拥有安全直觉

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在人机协同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，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系统”为这个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、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。

7月1日，项目负责人褚明（中）指导团队核心成员开展相关实验。 河北日报记者 周聪聪摄

超快反应，让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”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’，这种说法其实高估了它的智能水平。”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，机器人总动员正成为智能制造新常态。

“然而，在人机共存的生产环境中，安全防护体系仍面临严峻挑战，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，但响应速度慢且成本高昂，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度全场景的安全监测？

2021年，褚明研究团队的这一构想，引起了西门子的兴趣。

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个作业人员的人机距离，确保每个人都能获得同样迅捷的防护响应。

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协作安全距离快速感知系统”现场演示。 褚明供图

给机器人装上“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，每秒能拍摄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数字孪生世界：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48毫秒内完成？

指着电脑屏幕上那些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，包括手指尖、脚尖等人体最远端，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，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、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、团队核心成员陈宇足足花了一年多时间。

“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，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。”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，又确保了工业场景下的绝对安全。

成本低、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，褚明的回答令他们眼前一亮。

“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，只需线性增加摄像头数量，无需额外复杂配置，大幅降低了整体投入。

兼容性强、成本低、部署快，该系统的种种优势，让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。

企业之外，沧州市招商部门也向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，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。

在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，我们正在研究从仿真到实体的相关课题，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。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？

“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来取放微小元器件，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方向。”褚明相信，这一天的到来不会太远。（河北日报记者 周聪聪）

记者感言

极简背后的极繁探索

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。

极简实体、极速感知、极度安全，项目负责人褚明用三个“极”来概括这项成果的特点。

但成果有多“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计算一遍，庞大的计算量导致建模延迟，远达不到工业安全防护响应的时效要求。

就这样，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，通过精心筛选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的真谛。

而创新的魅力，恰恰藏在这份“极简”与“极繁”的辩证之中。

在采访尾声，褚明特别提到德国工业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）

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