評估協作機器人安全性時有哪些重要考量事項？

協作機器人 (Cobot) 設計為配合人類工作，並支援工業 4.0 工廠的生產彈性。相較於傳統工業機器人，協作機器人更簡單、更容易設定，而且無需對工作區進行安全隔離。由於協作機器人專為配合人類工作所設計，因此建造方式有別於其他工業機器人，包括具有碰撞偵測系統、力量回授、彈性致動器和低慣性伺服馬達等特點。

基於設計上的不同，協作機器人有其特定的安全標準。國際標準化組織技術規格 (ISO/TS) 15066 規定了工業協作機器人及其工作環境的安全要求。此規格補充 ISO 10218‑1 和 ISO 10218‑2 有關協作機器人作業的要求與指引。

本文首先簡單介紹 ISO/TS 15066 的要求，以及這些要求如何與 ISO 10218-1 及 10218-2 相互適應調和。接著會探討協作的複雜性，包括如何定義協作工作區。本文對機器人安全相關因素做出探討，例如協作機器人內建的安全特點、需搭配哪些外部安全功能，以及接近感測器、光幕和安全接觸墊等模範性元件。最後會簡單介紹協作機器人安全考量事項的幾個特定應用。

工業機器人和協作機器人有幾個關鍵的安全標準。ISO/TS 15066 詳述工業協作機器人系統和工作環境的安全要求，且根據 ISO 10218 系列等既有標準的要求制定而成，亦對這些要求有限的標準進行補充。ISO 10218-1 著重於一般機器人及機器人裝置，ISO 10218-2 則著重於機器人系統與整合。美國國家標準協會／機器人工業協會 (ANSI/RIA) R15.06 在全美同時採用 ISO 10218-1 與 ISO 10218-2。

協作的複雜性

在深究協作機器人安全性之前，先定義何謂「協作」會很有幫助。機器人的協作非常複雜，包括三個因素：

• 根據 ANSI/RIA R15.06，協作機器人係指「設計用於已定義的協作工作區內與人類直接互動的機器人」。
• 根據 ISO/TS 15066，協作作業係指「專門設計之機器人系統與操作人員在協作工作區內一同工作的狀態」。
• 最後，根據 ANSI/RIA R15.06，協作工作區係指「位於受保護空間內之工作區，其中機器人能在生產作業期間與人類同時執行任務」。

其取決於「受保護空間內」協作工作區的定義。除了協作機器人內含的標準安全功能外，受保護空間還提供一層安全防護層。

協作機器人整合的常見保護功能包括接觸偵測系統，這種系統以每個接合處的扭矩量測為基礎，能監測是否意外碰撞、遭遇阻礙，或力量或扭矩是否過大。還應配備自動煞車系統及手動煞車釋放機制，以在毫無動力時移動機臂。

協作機器人與人意外接觸是特別令人關切的問題。根據標準規定，應避免接觸人頭部的各個部位。標準也將人的身體分為 29 個部分，並詳述兩種接觸類型的相關限制：

• 暫態接觸係指協作機器人與人相撞的移動性動態事件。相關限制取決於位置、慣性及相對速度。
• 準靜態接觸則是指身體部位卡在協作機器人和某個表面之間。相關限制取決於壓碎與箝位效應的壓力及力道。

規格係根據應用相關考量提供指引，而非絕對限制。規格亦指出，該指引內容豐富並反映目前的最佳實務作法，因為人類與機器人協作是一項新的領域，正持續投入研究中。

協作的連續性

協作應用並非單一、單向。人類和協作機器人能以不同方式連續互動及協作。協作應用包括共存 (即人員進入協作工作區時，機器人在低功率下停機)，甚至是人員在作業期間觸碰協作機器人進行互動活動 (圖 1)。

圖 1：人類和機器人協作的互動程度很廣泛。(圖片來源：SICK)

為確定個別協作應用的安全需求，必須執行風險評估。其中包括識別、評估和減少應用相關的危害與風險。ISO 10218 列有許多情況皆適用的安全特點，但並未制定明確的要求。ISO/TS 15066 則為協作機器人風險評估提供更多細節。無論何種情況，執行風險評估都是為了確認必要的外部安全裝置及系統，以確保安全執行協作應用。

如欲深入瞭解風險評估與機器人，請參閱文章《安全並有效率整合 AMR 至工業 4.0 作業以取得最大優勢》(Safely and Efficiently Integrating AMRs into Industry 4.0 Operations for Maximum Benefit)。

防護與效率

雖然協作機器人係針對作業安全所設計，但增添防護層能提高協作應用的效率。如未額外增強安全性，則當有人進入協作工作區，ISO/TS 15066 要求每軸最大速度必須為 0.25 m/s。對大多數的協作機器人來說，這種速度非常緩慢。

Schneider Electric 的 LXMRL12S0000 Lexium 協作機器人的最大酬載為 12 kg，任務半徑 (工作範圍) 為 1327 mm，定位準確度為 ±0.03 mm，且工具端最大速度為 3 m/s，這比 ISO/TS 15066 針對協作工作區有人時所規定的速度上限快 12 倍 (圖 2)。

圖 2：當有人在協作工作區時，這款協作機器人的移動速度能比 ISO/TS 15066 允許的速度上限快 12 倍。(圖片來源：Schneider Electric)

在許多應用中，協作機器人能獨立運作很長的時間。因此，當現場沒有人時，感測協作工作區是否有人在場能大大提高機器人的運作速度和效率。常見的人員感測元件包括安全掃描器、光幕和安全接觸地墊。每種技術各有不同的優點，也常合併使用。

安全掃描器

安全掃描器用於監測指定區域，以偵測現場是否有人。此元件能判定與人員相距的距離，並在主動安全區以外實作各種警告區。

Omron 的型號 OS32C-SP1-4M，是協作機器人專用安全雷射掃描器的其中一個極佳範例。其安全半徑可達 4 m，並能支援多個長達 15 m 的警告區。該產品包含 70 組標準安全區與警告區組合，可支援複雜的協作工作區。此外，最小物體解析度能設定至 30、40、50 或 70 mm，回應時間可介於 80 ms 至 680 ms 之間，進一步提高應用彈性 (圖 3)。

圖 3：這款安全掃描器的安全半徑長達 4 m，並能支援多個長達 15 m 的警告區。(圖片來源：DigiKey)

光幕

光幕能測量是否有人在場，亦能設計偵測多種尺寸的物體，如手指或手部。有別於安全掃描器，光幕無法測量距離。光幕會在線性發射器和接收器陣列之間發出一系列光束，當某物切斷一或多道光束時，也能感測得出。

在安全等級方面，光幕主要分成兩類：Type 2 和 Type 4。這兩種光幕外觀相似，但安全等級不同。Type 4 監測定義協作工作區的受保護空間。Type 2 光幕則專為低風險應用所設計。

光幕能保護周邊區域，並有數種解析度，例如 14 mm (手指偵測) 和 24 mm (手部偵測)。Banner Engineering 的 SLC4P24-160P44 是一款帶有發射器與接收器陣列的 Type 4 光幕套件，解析度為 24 mm，可用於保護人員和協作機器人等機器 (圖 4)。發射器具有一排同步調變紅外線發光二極體。接收器相對也有一排同步光電偵測器。發射器的範圍為 2 m，這些光幕的安裝長度能介於 160 至 320 mm 之間，增量幅度為 80 mm。

圖 4：此 Type 4 光幕的解析度為 24 mm。(圖片來源：Banner Engineering)

安全雷射掃描器和光幕，讓協作工作區以非接觸的方式達到更高的安全性。然而，這些產品可能很難在具有光學挑戰性的環境中使用，像是具有高反射性表面的區域，可能會產生不當的光線干擾；這些產品也可能因油或潤滑脂洩漏、灰塵過多或過於潮濕而造成絆倒。

這些光學感測器有些能調整靈敏度，幫助減輕某些類型的干擾。但進行這些靈敏度調整也可能拉長回應時間並產生其他效能問題。另一種解決方案是將安全接觸墊與光學感測元件搭配使用。

安全接觸墊

安全接觸墊有兩個導電板，由光柵絕緣層隔開，可單獨使用或結合其他類型的感測器使用。當有人踩在墊子上時，頂部導電板會壓觸底板，觸發警示訊號 (圖 5)。墊子外部為聚氨酯材質，這種材質能防滑、防水、防垢及防油。ASO Safety Solutions 的 SENTIR 1602-5533 型號接觸墊，能將多達 10 張地墊串聯至單一監測裝置，且最多能覆蓋 10 m²。

圖 5：有人踩踏時，安全墊上下導電層會接觸，進而觸發警示訊號。(圖片來源：ASO Safety Solutions)

安全與否，講求細節

要確保安全性，世上沒有一體適用之法。協作應用各有不同，需根據本身獨特的特性和需求來處理。其中一大要素是，該應用在整個連續協作上的定位為何 (參見圖 1)？協作機器人與人類互動越密切，需採取的防護措施就越多。

還有許多其他細節需要考量。其中包括：

• 每個位置都要進行詳細的風險評估，瞭解協作機器人是否已移至其他工作站。即使外在看似相同，但稍有變動就可能對安全性產生影響。
• 如果協作工作區存在其他機器，這些機器是否需連結至停機系統或協作機器人的安全減速機制？
• 本文雖著重於安全相關硬體，但對日益常見的連網系統而言，網路安全仍是一項重要考量，以防協作機器人運作或安全系統遭受干擾。

結論

協作機器人安全性是個很複雜的領域。首先是定義受保護空間內的協作工作區，並對協作作業進行風險評估。ISO/TS 15066 和 ISO 10218 系列等標準非常重要，可提供許多建議和準則。協作機器人有許多基本的安全特點，例如碰撞偵測系統、力量回授、彈性致動器與低慣性伺服馬達。視乎協作應用的細節而定，可能還需增添其他安全元件，例如接近感測器、光幕及安全接觸墊。