安全有效地將 AMR 整合到工業 4.0 作業中以發揮最大效益

隨著自主移動機器人 (AMR，又稱工業移動機器人) 在工業 4.0 作業中的使用率顯著上升，先進自動化協會 (A3) 近期攜手美國國家標準協會 (ANSI) 發佈了 AMR 安全標準的第二項補充標準，稱為 ANSI/A3 R15.08-2；此標準詳細闡述在現場整合、配置和客製化 AMR 或 AMR 機隊的相關要求。其中一項基本要求是依據 ANSI/ISO 12100 或 ANSI B11.0 進行風險評估。這項新標準補強了先前發佈的 R15.08-1 標準，其重點擺在 AMR 的安全設計與整合。

R15.08 系列標準是以 ANSI／工業卡車標準開發基金會 (ITSDF) 早期的 B56.5 工業自動導引車 (AGV) 安全標準為基礎制定。新標準會依據是否包含特定的功能和特點，將 AMR 分為三個類別。

本文首先會簡單比較 AMR 和 AGV 的差異，並概述 ANSI/ITSDF B56.5 標準、ISO 3691-4 標準和 ANSI/A3 R15.08 標準之間的關係。接著會探討 ANSI/ISO 12100 和 ANSI B11.0 標準所述的風險評估策略，以及如何將這些策略應用於 AMR 並整合至 R15.08-2 標準中。接下來，本文會探討 R15.08-2 標準所定義的三種 AMR 類別，最後再說明 AMR 整合時的實際考量，包括如何繪製地圖和試運轉，以及如何管理 AMR 機隊等，並且以 Omron Automation 和 Siemens 的產品為例，介紹如何利用模擬和數位分身把握虛擬試運轉的新契機。

AGV 僅能沿著預定的標示路徑行進。此裝置沒有獨立的導航功能。在碰到障礙物時，會自行停住，直到障礙物排除才會繼續沿著固定路徑前進。AMR 則配有獨立的導航系統，能夠更改路徑並繞過障礙物 (圖 1)。基於這些差異，AGV 更適合相對穩定不變的環境，而 AMR 則支援更靈活和可擴充的部署，如工業 4.0 作業中所需的部署。

圖 1：AMR (左) 會繞過障礙物，AGV (右) 在遭遇障礙物時會停住。(圖片來源：Omron)

標準的演進

有些 AMR 標準是從以前針對 AGV 和固定式機器人制定的標準演變而來。例如，EN 1525:1997 標準最初就是針對 AGV 制定的，後來直接應用於 AMR，而未經任何修改。較新的 ISO 3691-4 標準不僅涵蓋 AGV，還新增了 AMR 的專屬章節。

ANSI/ITSDF B56.5 安全標準涵蓋了工業導引車輛、工業無人導引車輛，以及工業載人車輛的自動化功能；但並未涉及 AMR。而較新的 ANSI/RIA R15.08 標準，則是專門針對工業環境中的 AMR 所制定的安全標準。此標準以 R15.06 標準為基礎並加以擴充，以便安全使用固定式機械手臂。

另一項重要標準是 EN ISO 13849，其針對不同類型的設備制訂安全效能等級 (PL)。此標準制訂了 PLa 到 PLe 的五個等級，規定愈趨嚴格。AGV 和 AMR 製造商必須達到 PLd 安全等級，以確保在出現單一故障時也可利用備援系統繼續安全地運作。

ANSI/A3 R15.08-2 則要求在整合和部署 AMR 時進行風險評估。ISO 12100 和 ANSI B11.0-2010 制訂的風險評估不完全相同，但非常相似。ISO 12100 主要針對原始設備製造商，而 ANSI B11.0 更側重於機械和最終使用者的安全。這兩個標準的風險評估基本原則非常類似。

風險評估

風險評估是高度結構化的分析活動，目的是將風險降至可接受的程度。此評估認定世上沒有完美的系統或環境；雖然可以對固有風險進行控制，但無法完全消除。首先，我們要判定機器的操作限制，並識別出機器在接近或超出這些限制時，可能發生哪些危害。

然後進行風險預估，分析每項危害可能導致的傷害程度及其發生的可能性。一個非常嚴重但發生機率較低的危害，和一個嚴重性較輕但發生機率較高的危害，可能會獲判相似的等級。所有已識別的風險都會經過評估與分級，以便針對風險緩解活動確定優先順序。風險評估可能會重複進行，以識別最嚴重的風險並降低其發生機率和／或後果的嚴重性，直到剩餘風險達到可接受的程度 (圖 2)。

圖 2：風險評估的關鍵環節包括對風險的分析、評估和緩解。(圖片來源：SICK)

AMR 類別

R15.08 將 AMR分為三類：

A 類：僅限 AMR 平台。與 AGV 相比，A 類 AMR 可以當作獨立的系統運作，無需對環境進行調整。這類機器人可納入多種選配功能，例如電池管理系統、可獨立尋找充電器並對電池充電、可與集中式機隊管理軟體進行整合等等。A 類 AMR 多用於在工廠或倉庫中搬運物料。

B 類：在 A 類 AMR 上加裝一個非操縱性的被動或主動配件 (圖 3)。典型的配件包括輸送機、滾動台、固定或拆卸式提籃、抬升裝置、視覺系統、稱重站等。B 類 AMR 可用於更複雜的物流任務。視覺系統可用於產品檢查與識別、零件的稱重或數量估算等等。

圖 3：B 類 AMR 搭配滾動台配件。圖中還顯示三種 AMR 通用的典型導航與安全系統。(圖片來源：Omron)

C 類：A 類 AMR 加裝一個機械手臂。機械手臂可以是配有三個或更多個移動軸的機械手臂。C 類 AMR 可設計成協作機器人 (Cobot)，與人員一同作業。此外，還可用於監控機器、執行拾放作業、完成複雜的檢查任務，或者在農業環境中進行收割和除草活動等。有些設計還能轉移陣地，並在各個站點執行不同的任務。

試運轉、繪圖和依循光線引導

這三種 AMR 都是為了簡化部署而設計。AGV 需要安裝大量的基礎架構，但 AMR 無需施工即可部署，編程需求也能減到最低。基本的試運轉流程分為四個步驟 (圖 4)：

• AMR 出貨時已預裝所有必要的軟體；第一項任務是安裝電池並對電池充電。
• 繪製地圖相當關鍵，且可以手動或自動進行。若要手動繪製，技術人員要操控 AMR 在設施中穿梭，以便瞭解周遭環境。雷射引導型 AMR 則可每分鐘自動掃描多達 1,000 平方英尺來繪製地圖、擷取附近區域內的所有特徵，並將產生的地圖透過無線方式傳送到中央電腦。無論手動還是自動繪圖，都可以自訂地圖，設定虛擬路線和禁行路線，以確保安全運作，更可在 AMR 機隊內共享這些地圖。
• 目標的設定涵蓋拾放地點的判定。
• 最後一個步驟是分配任務，包括安排和協調機隊中的各個 AMR，以及與企業資源規劃系統 (ERP)、製造執行系統 (MES) 和倉庫管理系統 (WMS) 進行整合。

圖 4：AMR 出貨時預裝整套軟體，能夠快速投入試運轉並整合到生產環境。(圖片來源：Omron)

除了使用雷射掃描技術繪製設施的地圖，某些 Omron AMR 還使用攝影機來偵測和繪製頂部照明的位置。會建立「照明圖」並疊加在標準的「區域平面圖」上。

雷射定位技術雖然可適應地面環境的變化，但有其上限。假設環境特徵的變動超過 80%，比如裝運台上有許多棧板或推車不斷移位，在此情況下，雷射定位可能不夠實用；添加照明圖便能提升導航的可靠性。此外，使用照明圖也能讓 AMR 更輕易在大型設施中的開闊區域穿梭。

管理機器人機隊

有效管理機器人機隊，就能加倍提升 AMR 帶來的好處。這有助於集中控制和協調各種 AMR 的活動，並提供必要的資料和分析，以便發揮最大的操作效率。AMR 機隊管理系統的一些常見功能包括：

最佳化任務分配：根據機隊中各個機器人的能力、當前位置以及下一個任務的預期位置來分配任務。

交通管理：包括安排拾放地點和時間，以便達到最高效率；以及在目的地有所變動或出現新障礙時通知機器人，以便重新計算路徑，達到最大效率和安全性。

充電管理：追蹤機隊中各個機器人的電池電量，以便主動充電並達到最長的運作時間。

協調軟體更新作業：以便全機隊的各種機器人都具備最新的版本。

企業整合：將機隊管理軟體連接到 ERP、MES 及 WMS 系統，以便即時為機隊自動分配和安排任務。

虛擬試運轉

結合數位分身與模擬軟體，即可達到虛擬試運轉。在此情況下，數位分身代表 AMR 的虛擬化身。利用數位分身，就可在虛擬環境中驗證個別 AMR 及 AMR 機隊的效能。虛擬試運轉會使用機器人模擬軟體，將 AMR 數位分身與周圍環境的數位分身結合在一起 (圖 5)。

圖 5：AMR 的數位分身能以虛擬方式插入到模擬的工廠環境中，以便進行虛擬試運轉。(圖片來源：Siemens)

AMR 虛擬試運轉亦可用於整合和協調不同製造商所推出的機器人運作。在虛擬試運轉過程中，工程師可以迅速有效地建立多種情境，以檢驗整體系統是否正確運作 (而不僅僅是單獨的 AMR)。

此外，虛擬安全測試和除錯也可透過數位分身和模擬方式來進行。可將虛擬 AMR 放入異常情況中，以測試各種意外事件並確保正確執行安全協定。

具備虛擬除錯能力有助於提升 AMR 機隊的部署速度。在實體 AMR 機隊部署後進行除錯，是一項既艱鉅又耗時的任務，不只要中斷作業，還會影響設施的生產力。而虛擬除錯無需停工，就能確保 AMR 在現實中的表現符合預期，讓使用者高枕無憂。

結論

許多工業 4.0 設施中越來越常部署 AMR。為了在現場安全有效地整合、配置和客製化 AMR 或 AMR 機隊，AMR 標準也不斷演進，以因應這些要求。為了跟上 ANSI 與 ISO 標準，新標準有個重要規定就是執行風險評估。此外，使用數位分身和模擬技術進行虛擬試運轉也越來越常見，因此 AMR 試運轉工具也不斷演進和發展。

本系列文章共有兩篇，本文是第一篇，著重於介紹最近發佈的 R15.08-2 標準對 AMR 的安全性、風險評估及試運轉的影響。而第二篇則介紹目前正在研擬中的 R15.08-3 標準，且會探討在 AMR 中進行感測器融合的相關主題。