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確保人機協作安全  UL實測機器手臂

上網時間: 2015年11月11日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:機器人  人工智慧  YuMi  UL 1740  安全 

隨著機器人時代來臨,確保安全地與人類互動成為重要課題。然而,目前多數人對機器人的印象仍停留在架設在工廠的廠房之中,要跨出圍籬進而近距離人機協作應用的最大關鍵就在於「安全」。

安全問題——機器設備業者面臨最大的挑戰

職業災害的產生是自動化工業進步的指標之一,在日本的調查報告中顯示,於1973年到2006年的34年間,原本下降的職災比率在1985年開始攀升,產生了安全倒退的情形。UL能源暨電力科技部事業發展經理陳立閔表示因為在1985年後機器使用多元化,大量使用自動控制做為風險控款的方法,但自動控制本身卻產生了使用年限與可靠度的問題,加上設計之初的安全防護機制不見得適合真正實際應用情境,在無法識別風險的情況下,往往造成更多的職業災害。機器雖然是生產好伙伴,卻也可能是無情的殺手。也因此,「安全」一直是機器人或機器設備業者面臨最大的挑戰。

機器要安全使用仰賴安全的防護設計,一旦安全防護失效,即會造成生產力損失損失或人力傷亡。各國勞工安全資料中都有許多機器造成人員傷亡案例。以台灣為例,單單2014年一年職場機械災害,如墜落、滾落、跌倒、衝撞、物體…等即達近6000例。其中作業傷亡多與動力機械相關,進而造成社會負面觀感,讓民眾近距離接觸機器而有所疑慮。再者,因為機械意外造成身體上的損傷,除了迫使員工需長時間在家休養外,也影響公司生產力。以食指中腕節受傷為例,一旦受傷則平均需600天、將近2年的恢復期。非但員工2年無收入,對企業而言亦是重大生產力的損失。

安全是設計機器人的首要考量

安全性是設計機器人的必要考量。ABB自動化與驅動控制事業部工業機器人賀良偉表示,傳統機械手臂的設計仍以人機分離操作為主,不但要把機器架設在圍籬中,也必須按照既定的程式操作,並無人機互動的考量。隨著技術進步,傳統人機設計限制了機器人的應用,並不符合時代的趨勢,而轉向與人互動的設計需求時,安全設計就是其中最重要的關鍵。ABB的全球首款人機協作機器人YuMi就是以人機協作條件下的安全設計出發,並經由具全球公信力的 UL 進行認證,確保其具備人機協作能力的關鍵安全設計,能夠在嚴格的條件下維持運作。

UL 1740 全球第一套、也是目前唯一針對「機器人」的安全標準

全球第一部機器人的電氣安全標準雖然早在於1995年早已制定,然而當時大多數是單獨隔離的機器人為主要市場。隨著技術演進及市場需求的改變,標準也依時空背景進行升級後將機器人與人的互動情境納入檢測認證的要求。因此,獲得美國國家認可的安全標準—UL 1740仍然能夠與時俱進,持續適用於最新式的人機協作機器人。此外,UL 1740也與防火協會(NFPA)、美國機器人協會(RIA)的標準緊密結合,而其中主要的測試包括「電氣測試」和「機械測試」兩大類。

電是所有安全要素中,最易造成危險與立即性傷害的項目之一。因此,電氣測試在機器人的認證中,在基礎測試項目就包含電力輸入、負載、操作溫度、過電壓與欠電壓、漏電流、操作軟體、手持部位、導體失效、通風馬達鎖死、驅動馬達鎖死、馬達煞車、零組件破損、過載、斷電與重啟、緊急停止裝置等主要的檢測項目。

此外,機械項目測試依據使用情境與設定進行評估,包括但不僅限於緊急停止時間與移動距離測量、斷電下的緊急移動、抓取裝置、教學模式下的低速運動測量、彎折、軸向旋轉耐受性、提拉與移動、外殼強度…等等不同的機械性安全的測試。

功能的安全與可靠性亦是重點考量

除立即性的安全,長久使用的安全可靠性更必須一併評估,ISO 13849 是機器設備的功能安全可靠性的國際規範。ISO 13849將機器設備的安全可靠性分為五級,耐用次數從1萬到1000萬次不等。依據機械造成人身危險性、接觸時間與頻率、風險可控制能力三種條件評估出不同風險情況,衍生有不同的安全性能等級要求。

以實際展演的Yumi 機器人為例,UL陳立閔經理表示除了通過UL 1740的測試要求,Yumi 還有兩個傑出評估數據,分別是防護可靠性的評估-保護性的停止(Protective Stop)和速度的監控(Speed Supervision)。保護性停止測試主要確保機械手臂或設備打向人體或物品時,遇到推力可立即停止,不會造成危害;速度監控測試則是檢測機器人或是機械設備不會突然進行速度的變化,以超出預期的速度範圍造成生命財產的損害。經過評估,Yumi在「保護性停止功能」上的平均首次失效發生時間超過100年,而「速度監控」的平均首次失效發生時間亦達15年之長,能夠讓使用者知道長期使用下的安全可靠性。

此外,UL陳立閔進一步提醒,機器人安全除了要經過一般性與可靠度測試外,零組件和軟體的評估檢測更是重要,以進行全面的安全把關。機器人仰賴軟體進行操作,軟體安全又必須與使用機器與情境結合,一旦軟體失當,則可能造成傷害。舉例來說,近來無人機的事故頻傳,其中不少事故明顯是因為軟體安全設定的問題相關。因為軟體安全在機器人安全設計中具關鍵地位,軟體設計的安全認證更是許多機器人業者望之卻步關鍵原因之一。因此在UL認證中,UL會分析並嚴格審查程式中安全設計的流程與規劃,確保在軟體在設計流程與使用上,不會產生任何軟體設計的缺失而導致安全的死角。

然而機器人系統業者多視設計流程為機密,不願接受第三方的檢測認證,也因此無法提供客觀的證據而說服客戶其機器人的使用安全與可靠性,也因此成為進入市場的障礙。UL除了分析程式設計流程圖外,也會進行多元化的場景測試,協助製造商全面而精準地定義安全的使用範圍,並落實在機器人身上。認證結果不但可以檢測出軟硬體是否能正常結合運作及產品功能的完整性,而且也確保設定不易遭到竄改而影響到安全性。

人機協作——久安全是上策

人類與機器人共同生活、互動越漸頻繁,人機協作中安全至關重要。安全不能只有一時,而要長久安全性的確保有賴功能性安全評估。要如何辨別產品是否通過功能性安全評估,除認明傳統UL標示外,標示上方需有額外的「Functional Safety」與相關的標準與分級敘述,才代表其產品已經過安全功能的可靠性評估,這也是與一般機電產品安全認證中的關鍵性差異。

由於UL創立之初,乃因保險業者對投保商品的安全辨視需求,因此UL認證在全球主要產物保險業者中具有十足的公信力。而機器人所費不貲且價格高昂,取得UL認證將有助於保險業者於承保時評估商品風險,亦是機器人業者於產品投保時的有利佐證。





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