如何挑選和整合多維度安全系統以保護工作人員避免受到協作機器人的傷害

在工廠和物流設施中部署協作機器人 (Cobot)、自主移動機器人 (AMR) 和自動導引車 (AGV) 時，安全至關重要。但這不僅複雜，也涉及眾多面向。

機器運動必須依照國際標準化組織 (ISO) 13849、國際電工委員會 (IEC) 62061 和 IEC 61800-5-2 標準進行監測和控制，以便在設計與整合控制系統的安全相關零件 (SRP/CS) 時，得以遵循這些標準所提供的安全要求與原則指引。

確保協作機器人、AMR、AGV 和類似設備的安全運作往往要建立一個分層的安全圍籬，並涵蓋多重領域，包括物體接近時的初始偵測與警告，再到判別物體何時侵入有害區域並導致機器停機。

模組化的安全控制器系統可以新增另一層分析和保護。若要因應防護區中斷和掃描器意外跳脫，有效且快速的故障分析就是重要的考量因素之一。這可能要加裝第二個感測器來監測主感測器的防護區。

本文首先會簡單回顧 ISO 13849、IEC 62061 和 IEC 61800-5-2 的要求，並瞭解二維 (2D) 光偵測和測距 (LiDAR) 安全雷射掃描器的基礎知識。接著會進一步探討如何實施分層式安全圍籬，以保護人員以免受到協作機器人、AMR、AGV 等類似設備的傷害。

包括瞭解 2D LiDAR 感測器的使用和整合，以及將這些感測器與模組化可編程安全控制器互相結合所帶來的優勢，以提供額外的安全層級，也會使用事件攝影機對防護區的意外中斷進行故障分析。也會用 SICK 的裝置當作範例進行說明。

IEC 61508 是針對「電氣／電子／可編程電子安全相關系統 (E/E/PE 或 E/E/PES) 的功能安全性」所制訂的基礎標準，且適用於所有產業。此外，還有針對特定產業和應用所制訂的篇章與版本。

IEC 62061，《機械安全：電氣、電子和可編程電子控制系統的功能安全》就是 IEC 61508 針對機械所制訂的專用版本。IEC 61800-5-2，《可調速電力驅動系統 – 第 5-2 篇：安全要求 - 功能性》也是 IEC 61508 的相關標準，專門針對可調速驅動系統的設計與開發進行規範。

ISO 13849 則是獨立制訂的標準，並非從 IEC 61508 衍生而出，但兩者皆與功能安全相關。IEC 61800-5-2 使用安全完整性等級 (SIL) 來定義安全要求，而 ISO 13849 則是定義要求的效能等級 (PL_r)。

ISO 13849 和 IEC 61508 是依據每小時危險故障機率 (PFH_d) 的概念制訂。ISO 13849 功能安全性分析則納入三個考量因素，包括潛在受傷的嚴重度、危害的頻率或暴露程度，以及限制危害和避免傷害的可能性 (圖 1)：

• 受傷的嚴重度
  • S1：輕微 (通常為可逆轉的受傷)
  • S2：嚴重 (通常為不可逆甚至會致死)
• 危害的頻率和／或暴露程度
  • F1：鮮少至不常和／或暴露時間短
  • F2：頻繁至持續和／或暴露時間長
• 避免危害或限制傷害的可能性
  • P1：在特定條件下有可能
  • P2：幾乎不可能

圖 1：ISO 13849 衍生的 PL_r 等級與其在 IEC 62061 中對應的 SIL。這兩種標準皆以每小時危險故障機率 (PFH_d) 的概念制訂。(圖片來源：SICK)

LiDAR 的工作原理為何？

若要在個人防護應用中使用 2D LiDAR 安全感測器，則需具備符合 ISO 13849 的 PL_b 認證。TiM 2D LiDAR 感測器系列就有提供符合此要求的型號。2D LiDAR 感測器會使用飛時測距 (ToF) 技術掃描周圍環境。ToF 的實作方法是使用旋轉鏡來傳送雷射脈衝，然後再偵測反射的光。反射光返回感測器所需的時間越長，代表物體的距離越遠。

時間測量結果加上回傳訊號的強度後，就能讓感測器以公釐等級的精度計算多個物體的位置。產生的周圍環境圖片每秒最多可更新 15 次 (圖 2)。可支援即時導航、定向、控制和安全功能。

圖 2：TiM 2D LiDAR 感測器使用旋轉鏡和雷射脈衝來建立周圍環境的圖像，每秒最多可更新 15 次。(圖片來源：SICK)

TiM 2D LiDAR 感測器可在要監測的指定區域 (場地) 內偵測物體。根據型號的不同，掃描範圍可達 25 m，工作範圍可達 270°。

雷射的返回脈衝數據會透過高解析度距離測量 (HDDM) 或 HDDM+ 技術進行處理。HDDM 可在短距離內達到超高高測量精度，適用於對接等應用中的精細定位。HDDM+ 在邊緣反射的處理上特別優異，因此最適合動態環境中的定位和防撞應用。

在這兩種情況下，專利的 HDDM/HDDM+ 多脈衝技術能讓 TiM 2D LiDAR 感測器無間隙地偵測整個掃描範圍，以確保一致的測量精度，並且可以處理不同的表面和反射係數。

TiM1xx、TiM3xx 和 TiM7xx 類型可以偵測物體是否位於指定場地中。共有 16 個場地組合，且各有 3 個預先配置的場地，可在操作過程中支援快速調適 (圖 3)。可以指定個別的場地幾何，也可指定基準輪廓場地，以進行固定輪廓監測。也可以指定數位濾波器、遮罩區域和反應時間，以便在大雨、大雪或多灰塵情況下發揮最大效能。

圖 3：TiM 2D LiDAR 感測器的場地組合由三個預先配置的場地組成。(圖片來源：SICK)

有些型號可提供場地評估資料，或是場地評估和測量資料。場地評估感測器僅會判斷是否有物體存在，而場地評估和測量資料則可針對掃描表面提供準確的圖像。

除了距離資料外，TiM 2D LiDAR 感測器還可提供角度資料和接收訊號強度指示器 (RSSI) 的輸出。此擴充資料集對於處在環境不斷變化的 AMR 來說，是達到防碰撞與導航的重要資訊。

安全 LiDAR 可增加第一層防護

TiM 2D LiDAR 系列具有安全相關款式，即 TiM361S (場地評估) 和 TiM781S (場地評估和測量資料輸出)，可符合 PL_b 的要求，可用於固定和移動式應用。可用於工業協作機器人的取用監測，以及用於 AMR 和 AGV 等移動平台，以達到個人防護。

• TIM361S-2134101 類型的 1090608 型號，適合室內使用，偵測範圍為 0.05 至 10 m，並採用 HDDM 技術。
• TIM781S-2174104 類型的型號 1096363，也適合室內使用，偵測範圍為 0.05 至 25 m，並採用 HDDM+ 技術。

簡化的整合

TiM 2D LiDAR 感測器的設計可簡化整合。外殼的防護等級高達 IP67，灰塵和濕氣都無法侵入外殼。此外對環境光的耐受能力高達 80,000 lx。採用堅固的設計，符合 IEC 60068-2-6 的抗振要求和 IEC 60068-2-27 的抗衝擊要求。若有需要，還可使用保護板的緩衝安裝座來增強其堅固性。

TiM 2D LiDAR 感測器的設計緊湊、重量輕、功耗低，非常適合用於移動平台。TIM361S-2134101 型和 TIM781S-2174104 型的重量皆只有 250 g，典型功耗為 4 W，尺寸為長 60 mm x 寬 60 mm x 高 86 mm。

安全控制器可增加另一層防護

LiDAR 雷射掃描器可偵測危害並發送警報，而模組化的安全控制器則可以為保護系統增加另一層安全保障。以 Flexi Soft 安全控制器為例，就是一款模組化系統，可以連接多種感測器和切換元件，包括雷射掃描器。符合 IEC 61508 的 SIL3 等級，也符合 ISO 13849 的 PLe，並具有 1.07 x 10^-9 的 PFH_d。

基本系統至少由兩個模組組成 (圖 4)：

1. CPU0 與 1043783 型號一樣，皆是中央邏輯單元，用於分析和評估來自 LiDAR 等感測器的訊號，進而減輕中央機器控制器的安全分析負擔。CPU0 的輸出會連接更高層級的機器控制，例如實作安全功能的可編程邏輯控制器 (PLC)。
2. 若要將雷射掃描器連接到系統，就需要 XTIO I/O 擴充模組，例如 1044125 型號。每兩台雷射掃描器就需要一個 XTIO I/O 擴充模組，因為每個雷射掃描器需使用三道切換輸入。此控制器最多可操作 12 個 I/O 模組。

圖 4：Flexi Soft 安全控制器系統由一個 CPU 模組 (1) 和一個或多個 I/O 模組 (2) 組成。(圖片來源：SICK)

發生什麼事？

安全系統有個要件就是可分析和理解任何故障的根本原因，因此能回答「是什麼導致安全雷射掃描器觸發？」這個問題。SICK 的 EventCam 事件攝影機專為偵測和分析工業環境中的偶發故障而設計。

EventCam 是獨立的裝置，具有光學元件、照明、電子元件和記憶體，可以整合到行動或固定系統中。鑄鋁外殼具有 IP65 防護等級，能在多種位置上進行安裝。EventCam 可以連接到自動化系統 (如安全控制器) 或直接連接感測器。

回報錯誤後，EventCam 會開始儲存單一畫格或視訊序列。內建的環狀記憶體可以儲存事件發生前最多 240 秒和事件後長達 100 秒。在高解析度 (HD) 模式下，可以錄製事件之前最多 25 秒和之後 15 秒。視訊的每秒幀數 (fps) 介於 13 到 65，視需要的解析度而定。

EventCam 在新機器試運轉或製程期間都很實用。可監測非監督式的測試運轉，如數小時或多天的連續測試，並可快速識別錯誤來源。多個 EventCam 可以監測單一製程，同時從多個角度提供視覺化資訊，以便對錯誤進行更深入、更徹底的分析 (圖 5)。

圖 5：可將多部 EventCam 同步化，以同時從多個角度記錄單一事件。(圖片來源：SICK)

EventCam 提供兩種款式。1102028 型號的工作範圍為 0.4 至 0.6 m，適用於防護空間相對較小的固定式協作機器人。1093139 型號的工作範圍為 0.8 至 6 m，可以因應更大的防護空間，與較大型的協作機器人、AMR 和 AGV 搭配運作。

結論

2D LiDAR 感測器 (如 SICK 的 TiM 系列) 可以在安全系統中提供第一道防線，以搭配協作機器人、AMR、AGV 和類似的機器使用。還可提供一系列防護區來監測人員是否接近。添加安全控制器就可支援入侵分析，並可增進系統效能。最後，可採用一或多部 EventCam 來監測主要的 2D LiDAR 感測器，以協助判定任何零星跳脫的根本原因。