在人機(jī)協(xié)同作業(yè)日益普及的今天，工人在生產(chǎn)線上與機(jī)器人“并肩作戰(zhàn)”時(shí)，真的足夠安全嗎？如果答案并不似我們想象中樂(lè)觀，如何在人機(jī)共存的環(huán)境中確保人的安全？

不久前，第二屆雄安未來(lái)之城場(chǎng)景匯雄安國(guó)際機(jī)器人大賽上，參賽項(xiàng)目“數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的人機(jī)協(xié)作安全距離快速感知系統(tǒng)”為這個(gè)難題給出了創(chuàng)新解決方案。

48毫秒的超快響應(yīng)速度、無(wú)需外掛設(shè)備就能實(shí)現(xiàn)360度無(wú)死角安全防護(hù)、低至2萬(wàn)元的部署成本……憑借這些突破性優(yōu)勢(shì)，該項(xiàng)目成功斬獲大賽一等獎(jiǎng)，重新定義著工業(yè)場(chǎng)景下人機(jī)協(xié)作的安全標(biāo)準(zhǔn)。

6月12日，第二屆雄安未來(lái)之城場(chǎng)景匯雄安國(guó)際機(jī)器人大賽上，參賽項(xiàng)目“數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的人機(jī)協(xié)作安全距離快速感知系統(tǒng)”現(xiàn)場(chǎng)演示。褚明供圖

超快反應(yīng)，讓人與機(jī)器人安全協(xié)作

六軸桌面式協(xié)同機(jī)械臂輕盈舞動(dòng)關(guān)節(jié)，但當(dāng)人靠近，一旁的電腦屏幕上立刻浮現(xiàn)數(shù)道醒目的紅色線條，勾勒出人體的骨骼結(jié)構(gòu)。同時(shí)，一道在人與機(jī)械臂之間動(dòng)態(tài)生成的明黃色線條實(shí)時(shí)測(cè)量二者距離，并據(jù)此給機(jī)器人下達(dá)“停機(jī)”“減速”等指令，將有可能對(duì)人造成的安全傷害扼殺在萌芽中……

6月20日，北京郵電大學(xué)科研樓924室，“數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的人機(jī)協(xié)作安全距離快速感知系統(tǒng)”展示著毫秒級(jí)的危險(xiǎn)預(yù)警能力。

在第二屆雄安未來(lái)之城場(chǎng)景匯雄安國(guó)際機(jī)器人大賽上，該項(xiàng)目憑借出色的實(shí)時(shí)感知性能和人機(jī)交互安全性，從眾多參賽項(xiàng)目中脫穎而出，榮膺大賽一等獎(jiǎng)。

人機(jī)協(xié)作的安全距離，是這項(xiàng)研究的核心問(wèn)題。

或許有人會(huì)疑惑，機(jī)器人不都是按照預(yù)設(shè)程序精準(zhǔn)作業(yè)的嗎？為何還需要專(zhuān)門(mén)研究人和機(jī)器人的安全距離？

“人們把機(jī)器人稱(chēng)為‘人’，這種說(shuō)法其實(shí)高估了它的智能水平?！表?xiàng)目負(fù)責(zé)人、北京郵電大學(xué)智能工程與自動(dòng)化學(xué)院教授褚明解釋?zhuān)瑱C(jī)器人確實(shí)能高效完成重復(fù)性、高強(qiáng)度的任務(wù)，但它的智能遠(yuǎn)未達(dá)到與人類(lèi)真正協(xié)同共處的程度。在早期工業(yè)應(yīng)用中，機(jī)器人作業(yè)時(shí)甚至需要被鐵絲網(wǎng)隔離，以確保人員安全。

如今，隨著技術(shù)的突破性發(fā)展，機(jī)器人總動(dòng)員正成為智能制造新常態(tài)。

“然而，在人機(jī)共存的生產(chǎn)環(huán)境中，安全防護(hù)體系仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，工業(yè)機(jī)器人事故時(shí)有發(fā)生?！瘪颐鹘榻B，其中機(jī)器人制造和焊接是事故高發(fā)領(lǐng)域。

“當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域的人機(jī)安全監(jiān)測(cè)主要依賴激光雷達(dá)、紅外和聲波測(cè)距等技術(shù)，但都存在明顯缺陷?！瘪颐鞣治觯@類(lèi)設(shè)備幾乎全要外掛在機(jī)器人上，以激光雷達(dá)為例，它形似礦泉水瓶，直徑約10厘米。機(jī)械臂掛上這樣一個(gè)瓶子，不僅影響工作的靈活性，甚至還會(huì)帶來(lái)新的安全隱患。

除了體積問(wèn)題，各類(lèi)技術(shù)還有各種局限：聲波測(cè)距只能測(cè)量到正面相對(duì)的區(qū)域，存在監(jiān)測(cè)盲區(qū)；激光雷達(dá)雖能全向覆蓋，但響應(yīng)速度慢且成本高昂，單臺(tái)價(jià)格超6萬(wàn)元。

鑒于硬件方案存在的成本高、干擾作業(yè)等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，多數(shù)企業(yè)選擇依賴管理規(guī)范等軟性防護(hù)。但在實(shí)際生產(chǎn)中，工人錯(cuò)誤的操作習(xí)慣和企業(yè)投入不足的雙重因素，又導(dǎo)致事故頻發(fā)。

能否讓機(jī)器人輕裝上陣，在不依賴外掛設(shè)備的情況下，就能實(shí)現(xiàn)360度全場(chǎng)景的安全監(jiān)測(cè)？

2021年，褚明研究團(tuán)隊(duì)的這一構(gòu)想，引起了西門(mén)子創(chuàng)新研究院的興趣。

基于和北京郵電大學(xué)既有的校企聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)基礎(chǔ)，西門(mén)子創(chuàng)新研究院決定投入專(zhuān)項(xiàng)研發(fā)資金啟動(dòng)聯(lián)合攻關(guān)。

面對(duì)傳統(tǒng)硬件方案“笨重昂貴”與“防護(hù)滯后”的雙重困境，褚明帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，將數(shù)字孿生技術(shù)與計(jì)算機(jī)視覺(jué)深度融合。不僅能使輕裝上陣的機(jī)器人擁有安全直覺(jué)，還賦予其比人類(lèi)更快的反應(yīng)能力。

“人類(lèi)在保持清醒的前提下，發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)并作出反應(yīng)的平均時(shí)間是120毫秒。”褚明一臉自豪地表示，但這套系統(tǒng)僅需48毫秒就能完成安全距離感知，響應(yīng)速度是人類(lèi)的2.5倍。

褚明說(shuō)，這套系統(tǒng)不僅反應(yīng)快，還能“一心六用”，同時(shí)追蹤6個(gè)作業(yè)人員的人機(jī)距離，確保每個(gè)人都能獲得同樣迅捷的防護(hù)響應(yīng)。

7月1日拍攝的參賽項(xiàng)目所用深度相機(jī)，它能讓機(jī)器人在“零穿戴”的情況下?lián)碛?60度全場(chǎng)景視角。河北日?qǐng)?bào)記者周聰聰攝

給機(jī)器人裝上“天眼”，360度無(wú)死角安全防護(hù)

“讓機(jī)器人擁有安全直覺(jué)，傳統(tǒng)方案是給它‘穿盔戴甲’，我們的辦法則是‘開(kāi)天眼’?！蹦闷鹨粋€(gè)紙抽大小的白色深度相機(jī)，褚明輕輕晃了晃說(shuō)，這是整套系統(tǒng)中唯一的硬件設(shè)備，卻能讓機(jī)器人在“零穿戴”的情況下?lián)碛?60度全場(chǎng)景視角。

這臺(tái)深度相機(jī)性能強(qiáng)大，每秒能拍攝60幀畫(huà)面，相當(dāng)于每16.67毫秒就能完成一次對(duì)人的動(dòng)態(tài)捕捉。

研究團(tuán)隊(duì)巧妙利用這一特性，構(gòu)建了一個(gè)實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的數(shù)字孿生世界：相機(jī)采集的人體骨骼數(shù)據(jù)和機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡，在虛擬空間中同步生成動(dòng)態(tài)模型，通過(guò)算法實(shí)時(shí)計(jì)算碰撞風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)從感知到防護(hù)的無(wú)縫銜接。

數(shù)據(jù)采集、孿生建模、風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算……這一系列復(fù)雜運(yùn)算，如何在遠(yuǎn)低于人類(lèi)反應(yīng)速度的48毫秒內(nèi)完成？

指著電腦屏幕上那些與人體動(dòng)作神同步的紅色線條，褚明道破秘訣所在。

“現(xiàn)實(shí)中我們看到的是人和機(jī)器人的互動(dòng)，但在數(shù)據(jù)世界里，我們構(gòu)建的卻是極簡(jiǎn)主義的骷髏級(jí)交互模型?！瘪颐鹘忉?zhuān)疃认鄼C(jī)通過(guò)識(shí)別人體32個(gè)骨骼關(guān)鍵點(diǎn)，實(shí)時(shí)構(gòu)建動(dòng)態(tài)骨骼框架，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)動(dòng)作捕捉。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步篩選出其中25個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，包括手指尖、腳尖等人體最遠(yuǎn)端，以及肩、肘、髖等主要活動(dòng)關(guān)節(jié)。

“篩減時(shí)，我們舍棄了面部等非必要區(qū)域的關(guān)鍵點(diǎn)，保留下來(lái)的都是能影響人體可能觸及最大空間范圍的關(guān)鍵點(diǎn)?！瘪颐髡f(shuō)。

有了人體的動(dòng)態(tài)模型，團(tuán)隊(duì)利用工業(yè)機(jī)器人內(nèi)置的光電碼盤(pán)傳感器，實(shí)時(shí)獲取各個(gè)軸關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)，僅用9個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)即可完整重構(gòu)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

就這樣，僅僅靠34個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)便完成了人和機(jī)器人的建模。這種高度簡(jiǎn)化的建模方式，大大降低了系統(tǒng)數(shù)據(jù)計(jì)算量，有效提升了數(shù)字孿生場(chǎng)景的構(gòu)建效率，為毫秒級(jí)實(shí)時(shí)響應(yīng)提供了關(guān)鍵技術(shù)保障。

不過(guò)，要實(shí)現(xiàn)真正可靠的人機(jī)安全協(xié)同，挑戰(zhàn)遠(yuǎn)未結(jié)束。

采訪中，記者曾變換各種動(dòng)作和距離，屢屢試圖“碰瓷”機(jī)器人。但遺憾的是，一次都沒(méi)成功。電腦屏幕上，一條黃線始終如影隨形地橫亙?cè)谟浾吆蜋C(jī)器人之間，并不斷變換著距離數(shù)據(jù)。隨著距離數(shù)據(jù)的變化，機(jī)械臂或轉(zhuǎn)速下降，或瞬間停止，始終與記者保持著安全距離。

“這根黃線，標(biāo)注的是人和機(jī)器人間的最短距離?！瘪颐髡f(shuō)，系統(tǒng)正是根據(jù)這個(gè)距離數(shù)據(jù)，設(shè)置了低危、中危、高危三級(jí)安全閾值，向機(jī)器人做出聲光預(yù)警、減速運(yùn)行、緊急停機(jī)等指令。

為找到這條黃線，去年畢業(yè)的博士生、團(tuán)隊(duì)核心成員陳宇足足花了一年多時(shí)間。

“兩個(gè)‘骨架’關(guān)鍵點(diǎn)間連成的線成千上萬(wàn)條，這其中，哪條才是最短的？”陳宇解釋?zhuān)煌陟o態(tài)物體，人和機(jī)械臂始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。特別是人體動(dòng)作具有天然的隨機(jī)性和不可預(yù)測(cè)性，兩者的運(yùn)動(dòng)軌跡在三維空間中不斷交織，形成高度復(fù)雜的動(dòng)態(tài)空間關(guān)系。

為了更真實(shí)地計(jì)算人體與機(jī)器人的安全距離，研究團(tuán)隊(duì)還考慮到人的胖瘦對(duì)二者距離的影響，根據(jù)成年人的體型中位數(shù)，在骨骼模型基礎(chǔ)上做了一層“膠囊體”，為數(shù)字模型穿上了一層“肌肉外衣”。

“多次試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)的距離測(cè)量誤差已經(jīng)被嚴(yán)格控制在3.5%以內(nèi)，相當(dāng)于當(dāng)實(shí)際距離為1米時(shí)，系統(tǒng)測(cè)量值在96.5至103.5厘米之間波動(dòng)?！瘪颐髡f(shuō)，這個(gè)精度窗口是經(jīng)過(guò)反復(fù)推敲后確定的最佳平衡點(diǎn)，既能夠規(guī)避過(guò)度追求精度帶來(lái)的算力浪費(fèi)，又確保了工業(yè)場(chǎng)景下的絕對(duì)安全。

當(dāng)人靠近六軸桌面式協(xié)同機(jī)械臂，電腦屏幕上立刻浮現(xiàn)數(shù)道紅色線條勾勒出人體的骨骼結(jié)構(gòu)。同時(shí)，在人與機(jī)械臂之間動(dòng)態(tài)生成一條明黃色線條實(shí)時(shí)測(cè)量二者距離。圖為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中拍攝的電腦屏幕顯示畫(huà)面。褚明供圖

成本低、部署快，產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢(shì)突出

“安裝復(fù)雜嗎？成本會(huì)不會(huì)很高？”在第二屆雄安未來(lái)之城場(chǎng)景匯雄安國(guó)際機(jī)器人大賽上，“數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的人機(jī)協(xié)作安全距離快速感知系統(tǒng)”使用的便捷性和經(jīng)濟(jì)性，成為許多參觀者駐足咨詢的熱點(diǎn)。

對(duì)此，褚明的回答令他們眼前一亮。

“這套系統(tǒng)的部署極其簡(jiǎn)單，就像在工廠安裝普通監(jiān)控?cái)z像頭一樣便捷。”褚明說(shuō)，系統(tǒng)的運(yùn)行，僅依賴深度相機(jī)和軟件模組，每個(gè)定焦深度相機(jī)可精準(zhǔn)覆蓋6米遠(yuǎn)范圍，單個(gè)6米遠(yuǎn)監(jiān)控區(qū)域的部署成本僅2萬(wàn)元。

更令人驚喜的是，如果監(jiān)測(cè)范圍需要擴(kuò)大，只需線性增加攝像頭數(shù)量，無(wú)需額外復(fù)雜配置，大幅降低了整體投入。

兼容性強(qiáng)、成本低、部署快，該系統(tǒng)的種種優(yōu)勢(shì)，讓不少制造企業(yè)當(dāng)場(chǎng)就表達(dá)了合作意向。

一家焊接機(jī)器人企業(yè)負(fù)責(zé)人向褚明坦言，他們正面臨嚴(yán)峻的人機(jī)協(xié)作安全挑戰(zhàn)：在自動(dòng)化焊接產(chǎn)線上，雖然核心焊接工序由機(jī)械臂完成，但上下料環(huán)節(jié)仍需人工介入。工人頻繁進(jìn)出作業(yè)區(qū)域時(shí)，既要防范機(jī)械臂的意外碰撞，又要躲避飛濺的高溫焊渣，安全風(fēng)險(xiǎn)居高不下。

“對(duì)我們這樣的焊接企業(yè)來(lái)說(shuō)，這套系統(tǒng)絕對(duì)是剛需。”這位企業(yè)負(fù)責(zé)人還對(duì)該系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化提出建議，除獨(dú)立銷(xiāo)售外，還可以與機(jī)械臂捆綁銷(xiāo)售作為機(jī)械臂的增值服務(wù)，提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

企業(yè)之外，滄州市招商部門(mén)也向褚明詳細(xì)介紹了各種產(chǎn)業(yè)化扶持政策，表達(dá)了助力這項(xiàng)技術(shù)快速落地的強(qiáng)烈意愿。

“這是我們第一次參加雄安場(chǎng)景匯，目的就是讓這項(xiàng)技術(shù)接受市場(chǎng)的真實(shí)檢驗(yàn)，看它是否能切實(shí)解決企業(yè)的安全生產(chǎn)痛點(diǎn)?！瘪颐髡f(shuō)，他們希望通過(guò)這種方式，持續(xù)優(yōu)化技術(shù)方案，推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室成果走出象牙塔，真正服務(wù)實(shí)體經(jīng)濟(jì)。

在推動(dòng)項(xiàng)目落地產(chǎn)業(yè)化的同時(shí)，團(tuán)隊(duì)在人機(jī)共存領(lǐng)域的研究仍在持續(xù)深化。

“目前，我們正在研究從仿真到實(shí)體的相關(guān)課題，推動(dòng)人機(jī)協(xié)作向更高層級(jí)發(fā)展?！瘪颐鹘榻B，他們的研究大方向是讓機(jī)器人不僅能感知人的存在，更能理解人的意圖，推動(dòng)人機(jī)共存走向人機(jī)共融。

“工業(yè)4.0實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)字化，但其本質(zhì)仍是機(jī)器主導(dǎo)的生產(chǎn)模式，人只是被動(dòng)地嵌入其中。而正在興起的工業(yè)5.0則強(qiáng)調(diào)人機(jī)融合，在共同的工作環(huán)境中開(kāi)展更精密、更智能的協(xié)作?！瘪颐鹘忉?。

未來(lái)的人機(jī)協(xié)作會(huì)是怎樣一幅新圖景？

“以電路板精密裝配為例，目前這類(lèi)精密裝配仍需工人完成30多道工序，頻繁切換十余種工具來(lái)取放微小元器件，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率也不高。”褚明說(shuō)，理想的人機(jī)協(xié)作應(yīng)該是，當(dāng)工人伸手準(zhǔn)備焊接時(shí)，機(jī)械臂能智能識(shí)別這一意圖，主動(dòng)遞送焊槍?zhuān)划?dāng)需要安裝微型電容時(shí)，又能精準(zhǔn)奉上對(duì)應(yīng)元件。這樣的場(chǎng)景下，機(jī)器人就像個(gè)得力的智能助手，始終默契配合，和人達(dá)到心有靈犀的協(xié)作水平。

“而這，正是我們努力研究的方向?！瘪颐飨嘈?，這一天的到來(lái)不會(huì)太遠(yuǎn)。（河北日?qǐng)?bào)記者 周聰聰）

7月1日，團(tuán)隊(duì)核心成員展示參賽項(xiàng)目所用的深度相機(jī)，它能讓機(jī)器人在“零穿戴”的情況下?lián)碛?60度全場(chǎng)景視角。河北日?qǐng)?bào)記者周聰聰攝

記者感言

極簡(jiǎn)背后的極繁探索

一個(gè)深度相機(jī)，一個(gè)軟件模塊，靠著這樣的簡(jiǎn)單組合，“數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的人機(jī)協(xié)作安全距離快速感知系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)了48毫秒的極速感知，將人機(jī)協(xié)作中的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)扼殺在萌芽狀態(tài)。

極簡(jiǎn)實(shí)體、極速感知、極度安全，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人褚明用三個(gè)“極”來(lái)概括這項(xiàng)成果的特點(diǎn)。

但成果有多“簡(jiǎn)”，過(guò)程就有多“繁”。

采訪中，褚明一開(kāi)始并沒(méi)有急于展示成果，而是先回顧了一段失敗的經(jīng)歷。這個(gè)坦誠(chéng)的開(kāi)場(chǎng)，讓記者了解了科研工作的真實(shí)軌跡。

最初，團(tuán)隊(duì)選擇的技術(shù)路徑頗具吸引力，模擬人類(lèi)雙眼的立體視覺(jué)測(cè)距原理，計(jì)算深度相機(jī)發(fā)射的調(diào)制光線的往返時(shí)間差，來(lái)構(gòu)建人體三維輪廓。

這種仿生學(xué)思路看似完美，卻在實(shí)踐中遭遇瓶頸。為了找到最近距離點(diǎn)，系統(tǒng)需要把遍布人體表面的所有關(guān)鍵點(diǎn)計(jì)算一遍，龐大的計(jì)算量導(dǎo)致建模延遲，遠(yuǎn)達(dá)不到工業(yè)安全防護(hù)響應(yīng)的時(shí)效要求。

就這樣，研究一度陷入困境。

在失敗中尋找希望，團(tuán)隊(duì)再次調(diào)整思路，利用深度相機(jī)自帶的關(guān)鍵點(diǎn)捕捉功能，通過(guò)精心篩選25個(gè)人體關(guān)鍵點(diǎn)和9個(gè)機(jī)械臂節(jié)點(diǎn)，將原本復(fù)雜的建模過(guò)程簡(jiǎn)化。思路的轉(zhuǎn)變，讓數(shù)字孿生建模效率得到質(zhì)的飛躍。

讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能，每一步都不容易。

為了找到合適的深度相機(jī)，團(tuán)隊(duì)核心成員張萌花了三個(gè)多月，對(duì)比了三十多款產(chǎn)品的詳細(xì)數(shù)據(jù)。為了獲取更多詳細(xì)數(shù)據(jù)，她不得不一家家聯(lián)系廠商，有時(shí)甚至要跨時(shí)區(qū)與國(guó)外廠家反復(fù)溝通。

“有多少人工，才有多少智能?！辈稍L中，褚明反復(fù)提及的這句話，道破了人工智能研究的真諦。

而創(chuàng)新的魅力，恰恰藏在這份“極簡(jiǎn)”與“極繁”的辯證之中。

在采訪尾聲，褚明特別提到德國(guó)工業(yè)5.0倡導(dǎo)的人機(jī)共融愿景。那時(shí)候，機(jī)器人不再是冰冷的執(zhí)行者，而是能理解意圖、預(yù)判需求的智能伙伴。

這種充滿溫度的技術(shù)想象，讓我們有理由相信，當(dāng)極簡(jiǎn)的智能與極繁的探索持續(xù)碰撞，科技創(chuàng)新的未來(lái)必將綻放更多可能。

文/河北日?qǐng)?bào)記者 周聰聰