機器人幕後：工業 4.0 的感測、安全與控制

現代化的工業機器人系統仰賴日益複雜的基礎架構，以支援不斷演進的人工智慧 (AI) 和機器學習 (ML) 功能、流暢的互連性以及廠區間的可擴充部署。這些系統需要感測器、安全硬體、電路保護和控制元件，以滿足大頻寬、即時反應及嚴格的功能安全標準要求。

本文將探討工業 4.0 機器人技術背後的基礎技術，並重點介紹 SICK 的感測器和安全解決方案以及 Eaton 的工業控制元件如何促進安全的運動控制、調適性系統行為和確定性決策。主題涵蓋促進韌性、智慧自動化的關鍵推動因素，例如感測架構、機器安全合規性、容錯控制策略，以及分散式邊緣自動化網路的整合。

動態工廠環境用的先進感測系統

如圖 1 所示，工業 4.0 機器人利用先進的感測器在廠區間安全高效地運作。儘管條件惡劣，例如不同的燈光、空氣中有顆粒物和機械振動，這些感測器都必須迅速處理即時資料，以準確追蹤人員、活動機器人和快速移動的裝配線。

圖 1：工業 4.0 多軸機械手臂使用整合式感測器和即時回饋達到精確快速的運作。(圖片來源：igus)

機器人平台可整合多種感測器模態，以支援空間感知性和毫秒等級的反應能力。感測器融合演算法可將這些輸入結合在一起，以產生機器人操作環境的連貫性即時模型。視覺系統可管理物體的偵測和定位，而安全等級的雷射掃描器則可監測限制區域是否有接近違規行為。低延遲飛行時間 (ToF) 感測器可擷取 3D 空間資料，進而達到反應式的路徑調整和情境感知行為。

機器人也仰賴內部和接觸式的感測器來改進運動控制與互動。觸覺感測器 (包括力／扭矩感測器及極限開關) 能針對抓取、組裝和順應性任務提供回饋。電感式、電容式和超音波的接近感測器能以非接觸的方式偵測附近的物體，距離通常比 ToF 系統更短。編碼器和電位計可追蹤關節位置和速度，以達到精確的運動規劃，而慣性量測單元 (IMU) 則可測量加速度和角速度，以維持方向和平衡。最後，電氣感測器可監測電流與電壓，以評估馬達的負載並偵測故障。

工業機器人的標準化安全性

工業 4.0 機器人必須符合嚴格的國際安全標準，以保護人員和設備。有三大關鍵標準 (ISO 13849、IEC 62061 和 ISO 10218) 可針對廠區內的機器人系統，制訂其要遵循的功能和控制系統安全要求。

ISO 13849 針對安全相關控制元件制訂相關的設計和驗證條件。會依循風險式方法，依據危害的嚴重性、暴露頻率和可能的防範措施，使用效能等級 (PL) 對系統完整性進行分類。IEC 62061 則針對電氣、電子和可編程控制系統規範其功能安全性，並運用安全完整性等級 (SIL) 來量化必要的風險降低措施。這些標準可共同針對感測與控制功能，規定其如何在安全關鍵應用中進行設計、實作和驗證。

ISO 10218 明確將這些原則應用在工業機器人上。可涵蓋機器人設計、工作單元佈局、系統整合和運作層面的安全要求。其中包括使用安全等級的感測器進行緊急停止、防護和運動監測。這些元件必須符合指定的效能與可靠性門檻，通常可透過結構化的測試和驗證加以證明。

ISO 13849、IEC 62061 和 ISO 10218 築起機器人安全標準的核心。其他標準包括規範電氣安全性的 IEC 60204-1、規範人機協作的 ISO/TS 15066，皆可擴大安全部署和整合的基本框架。

用於人機協作的整合式安全系統

工廠操作人員可部署來自 SICK 和 Eaton 等供應商的安全解決方案，以符合功能和機器安全標準。例如，SICK 的 Safe EFI-Pro 系統就利用整合式感測器、控制器和致動器，對固定和活動式機器人的安全功能進行即時控制。如圖 2 所示，microScan 安全雷射掃描器 (系統的關鍵元件之一) 可在動態環境中達到依據情況的調適性運動偵測。

圖 2：SICK 的 microScan3 安全雷射掃描器可監測防護區並動態偵測運動，可在工業環境中支援調適性防護。(圖片來源：SICK)

操作人員亦可實作 SICK 的臂端防護 (EOAS)，以便在機器人工具頭周圍維持一個動態防護區域。EOAS 會利用 ToF 技術來達到安全、非接觸式的人機協作，且反應時間低於 110 ms。

為了讓這些自動化系統更加完備，SICK 有提供手動和周邊安全元件。ES21 緊急停止開關可讓操作人員在緊急情況下快速停止機器，而 STR1 非接觸式安全開關可使用 RFID 技術達到防篡改的防護監測，可支援高編碼等級，並且符合 EN ISO 14119 標準。

針對突波和電壓控制的防護策略

機器人安全策略若要協調，就需要運動層級的防護措施和可靠的功率控制。Eaton 的暫態電壓抑制器可限制臨時突波和電壓尖峰，以保護敏感的元件。如圖 3 所示，FAZ-NA 小型斷路器 (如 FAZ-C10/2-NA) 可保護控制線路和輔助元件，以免受到過電流事件的影響。

圖 3：Eaton 的 FAZ-C10/2-NA 微型斷路器可保護控制線路和輔助元件，以免受到工業自動化系統中的過電流事件影響。(圖片來源：Eaton)

為了支援電氣安全和系統完整性，Eaton 還提供多種電路防護裝置與手動開關，例如 BP-SRR 翹板開關、M22S-WKV-K11 選擇開關和 BP-STE 搖頭開關，可用於控制設備功能和操作模式。

Eaton 的 Power-NTC 湧入電流限制器 (ICL) 和自復式 PTC 保險絲有助於在通電和故障情況下，保護電路以免受到高湧入電流的影響。熱防護裝置 (如 TJD 熱熔絲) 可中斷電流藉此增加一層關鍵的安全防護，以免在緊密整合的機器人系統中出現過多和危險的積熱情況。

容錯和分散式控制系統

工廠的機器人系統必須在感測器故障、致動器故障或網路中斷的情況下，維持安全的操作連續性。製造商仰賴分散式故障偵測、隔離和恢復 (FDIR) 架構，將停機時間降至最低並且增進系統韌性。FDIR 可將多個節點間的控制邏輯分散，並達到局部化的故障回應，因此可降低個別元件故障的影響，有助於避免中斷情況進一步擴大。

這些容錯策略是透過分散式控制系統實作，其中更結合了即時診斷與內建備援。分散式控制系統使用整合式診斷來持續監測關鍵元件的運作狀況和效能。備援感測器和通訊路徑可在主系統故障期間維持控制完整性，而錯誤處理常式則可達到受控關閉，或是切換到指定的安全狀態。

FDIR 和 Flexi Soft 安全控制器

這些策略可透過 SICK Flexi Soft 安全控制器進一步凸顯。如圖 4 所示，Flexi Soft 可支援 FDIR 架構的工業 4.0 機器人，可透過專為因應特定系統要求的模組化擴充和可配置功能，達到分散式的安全邏輯。

圖 4：SICK 的 Flexi Soft 安全控制器可促成分散式安全邏輯和模組化擴充，以便在工業 4.0 機器人系統中達到容錯的分散式控制。(圖片來源：SICK)

SICK 的工業級感測器，包括編碼器、壓力感測器、光電感測器和機器視覺相機，如 Ranger3 等，皆可在分散式機器人系統中提供關鍵回饋。這些感測器會整合在關鍵控制點，可支援即時監測、動態定位、物件偵測和系統級診斷。因此可促成早期故障偵測、局部回應和分散式環境的持續運作。

邊緣式感測與監測可達到更智慧的自動化

工業 4.0 機器人逐漸利用邊緣級感測和監測來提高系統洞察力、回應能力和自主性。先進的機器人系統現在並不會將所有資料都傳送到集中式平台進行處理，而是在感測器或裝置層級等更靠近邊緣的位置進行關鍵分析。如此可更快達到故障偵測、更有效的決策，並且在網路中斷期間提高韌性。

邊緣功能裝置，如工業相機和電路監測器等，可將局部智慧能力延伸到控制邏輯之外。可擷取即時的環境和操作資料，針對會影響安全、品質和運作時間的情況，提供機器層級的能見度。這些平台可降低延遲、減輕頻寬需求，並可增進分散式機器人系統之間的協調。

邊緣運算和嵌入式智慧

SICK 的 SensingCAM SEC100 等產品就可呼應這些邊緣策略，可針對工業 4.0 機器人提供邊緣層級的影像擷取和分析。如圖 5 所示，可提供高解析度串流和事件觸發式的錄影功能，以便進行物體識別、過程監測和品質檢查。

圖 5：SICK 的 SensingCAM SEC100 可提供邊緣層級的影像擷取與分析，可在機器人偵測應用中達到即時監測與視覺化診斷。(圖片來源：SICK)

此工業相機可針對盲點和動態檢驗區達到即時的能見度，可在事件觸發前後擷取影像資料，藉此支援根本性的原因分析。

SEC100 可輕鬆與現有的機器視覺系統整合，並支援持續監測，且不會讓集中式資源超載。還可產生視覺化記錄當作品質文件，例如用於包裝驗證和元件組裝追蹤。SEC100 嵌入在機器層級，能讓視覺化智慧更貼近操作點。

局部化處理與即時洞察的趨勢已延伸到設施層級的能源監測。如圖 6 所示，Eaton 的 PXBCM-DISP-6-XV 觸控螢幕顯示器介接 Power Xpert 分支電路監測器，可針對面板層級的電壓、電流和功率數據提供即時能見度。

圖 6：Eaton 的 PXBCM-DISP-6-XV 觸控螢幕顯示器可針對電壓、電流和功率數據提供面板層級的即時能見度，可支援預測性維護和能源最佳化。(圖片來源：Eaton)

可用於工業系統，包括機器人工作單元，有助於操作人員識別異常、偵測故障並達到能源使用最佳化。此顯示器可支援預測性維護，並可達到電路層級診斷的現場取用，因此能提升操作能見度。

工業 4.0 機器人的系統層級策略

為了安全有效運作，工業 4.0 機器人系統需要一套部署策略，將感測、安全、控制和連網統一在一起。感測器和安全元件必須符合嚴格的標準，同時在分散式環境中達到調適性防護和即時回應。不同工廠系統間要達到一致的效能，取決於是否採用開放式標準和多重協定通訊，以確保互通性和可擴充性。

控制元件必須在邊緣端處理大量資料，並與監控系統建立安全、低延遲的連接。要跨分散式節點協調處理作業和回饋，需要精確的同步化和計時。具有確定性協定、低抖動訊號路徑和時間感知的控制迴路，有助於在動態條件下維持可預測的行為。容錯架構可支援安全的應變狀態和連續操作，結合局部化控制與集中式監督的系統，則可促成靈活、可重新配置的製造流程。

總結

從感測器融合、功能安全性到邊緣運算和容錯控制，工業 4.0 機器人需仰賴緊密整合的系統，以確保在複雜的環境中達到安全、可靠且回應迅速的運作。DigiKey 提供來自 SICK 和 Eaton 等供應商的解決方案，有助於統一感測、電源保護和控制基礎架構，進而達到可擴充部署、標準合規性和調適性效能。