工業(yè)4.0的浪潮來(lái)襲。在這樣的趨勢(shì)下，製造業(yè)最重要的概念在於如何完成從原料到組裝，乃至於出廠後的全數(shù)位化工作，數(shù)位化核心在於精準(zhǔn)地裝配，並生產(chǎn)產(chǎn)品。而這樣的過(guò)程，唯有透過(guò)機(jī)器人操作，才能分毫不差的將產(chǎn)品組裝完成，達(dá)成產(chǎn)業(yè)數(shù)位化的目標(biāo)。
由於機(jī)器人是透過(guò)程式來(lái)進(jìn)行運(yùn)作，因此人類無(wú)需擔(dān)心其工作將被取代。未來(lái)，複雜、繁瑣與危險(xiǎn)的工作將交由機(jī)器人來(lái)執(zhí)行，而人類則可更專注於發(fā)揮想像力，或者進(jìn)行更具創(chuàng)意發(fā)想的事，這也是大量運(yùn)用機(jī)器人的重要目的。
| 圖一 : 機(jī)器人的時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，能安全與人類互動(dòng)才是未來(lái)趨勢(shì)。而機(jī)器人要跨出圍籬並近距離進(jìn)行人機(jī)協(xié)作的最大關(guān)鍵，在於「安全」。 |
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機(jī)器人的時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，而機(jī)器人的設(shè)計(jì)方面，能安全地與人類互動(dòng)才是未來(lái)趨勢(shì)。多數(shù)人對(duì)於機(jī)器人的印象，仍停留在工廠的廠房之中所架設(shè)的冰冷且危險(xiǎn)（除非關(guān)機(jī)否則人員無(wú)法靠近）的作業(yè)機(jī)器人，因此要跨出圍籬並近距離進(jìn)行人機(jī)協(xié)作應(yīng)用的最大關(guān)鍵，在於「安全」。
安全是機(jī)器設(shè)備業(yè)者面臨的最大挑戰(zhàn)
職業(yè)災(zāi)害的產(chǎn)生是自動(dòng)化工業(yè)進(jìn)步的指標(biāo)之一。日本的一份調(diào)查報(bào)告中顯示，在1973年到2006年的34年間，原本下降的職災(zāi)比率居然在1985年開始攀升，並產(chǎn)生了安全倒退的情形。UL能源暨電力科技部事業(yè)發(fā)展經(jīng)理陳立閔表示，這是因?yàn)樵?985年後，機(jī)器的使用開始多元化，並大量使用自動(dòng)控制來(lái)做為風(fēng)險(xiǎn)管控的方法，但自動(dòng)控制本身卻產(chǎn)生了使用年限與可靠度等問(wèn)題，加上設(shè)計(jì)之初的安全防護(hù)機(jī)制不見(jiàn)得能適合真正的實(shí)際應(yīng)用情境，在無(wú)法識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)的情況下，往往會(huì)造成更多的職業(yè)災(zāi)害。機(jī)器雖然是生產(chǎn)線的好夥伴，卻也可能成為無(wú)情的殺手。也因此，「安全」一直是機(jī)器人或機(jī)器設(shè)備業(yè)者所面臨的最大挑戰(zhàn)。
| 圖二 : 為了減少工安問(wèn)題，在設(shè)計(jì)機(jī)器設(shè)備時(shí)必須先進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)估，進(jìn)而透過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)降低操作上的危險(xiǎn)性。 |
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機(jī)器要安全使用，均仰賴安全的防護(hù)設(shè)計(jì)，安全防護(hù)一旦失效，就會(huì)造成生產(chǎn)力損失與人員的傷亡。各國(guó)勞工安全資料中，都有許多機(jī)器造成人員傷亡的案例。以臺(tái)灣為例，單單2014年一年的職場(chǎng)機(jī)械災(zāi)害，就有包括墜落、滾落、跌倒、衝撞、物體等近6000例。其中作業(yè)傷亡多半都與動(dòng)力機(jī)械相關(guān)，進(jìn)而造成社會(huì)的負(fù)面觀感，並讓民眾對(duì)於近距離接觸機(jī)器有所疑慮。此外，因?yàn)闄C(jī)械意外所造成的身體損傷，除了迫使員工需長(zhǎng)時(shí)間在家休養(yǎng)外，也影響了公司生產(chǎn)力。以食指受傷為例，一旦受傷則平均需要600天（將近2年）的恢復(fù)期。不但員工損失2年收入，對(duì)企業(yè)而言更是重大的生產(chǎn)力耗損。
第一套機(jī)器人安全標(biāo)準(zhǔn)UL 1740
全球第一部機(jī)器人的電氣安全標(biāo)準(zhǔn)雖然早在於1995年早已制定，然而當(dāng)時(shí)大多數(shù)是單獨(dú)隔離的機(jī)器人為主要市場(chǎng)。隨著技術(shù)演進(jìn)與市場(chǎng)需求的改變，標(biāo)準(zhǔn)也進(jìn)行升級(jí)，將機(jī)器人與人的互動(dòng)情境納入檢測(cè)認(rèn)證的要求。因此，獲得美國(guó)國(guó)家認(rèn)可的安全標(biāo)準(zhǔn)—UL 1740能夠與時(shí)俱進(jìn)，持續(xù)適用於最新式的人機(jī)協(xié)作機(jī)器人。此外，UL 1740也與防火協(xié)會(huì)（NFPA）、美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)（RIA）的標(biāo)準(zhǔn)緊密結(jié)合，而其中主要的測(cè)試包括「電氣測(cè)試」和「機(jī)械測(cè)試」兩大類。
| 圖三 : 安全性是設(shè)計(jì)機(jī)器人的必要考量。人類與機(jī)器人共同生活、互動(dòng)越來(lái)越頻繁，使得人機(jī)協(xié)作中安全性至關(guān)重要。 |
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電是所有安全要素中，最容易造成危險(xiǎn)與立即傷害的項(xiàng)目之一。因此，電氣測(cè)試在機(jī)器人的認(rèn)證中，僅基礎(chǔ)測(cè)試項(xiàng)目就包含了電力輸入、操作溫度、負(fù)載、操作軟體、過(guò)電壓與欠電壓、漏電流、手持部位、導(dǎo)體失效、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)鎖死、馬達(dá)煞車、通風(fēng)馬達(dá)鎖死、零組件破損、過(guò)載、斷電與重啟、緊急停止裝置等多項(xiàng)主要檢測(cè)項(xiàng)目。
此外，機(jī)械項(xiàng)目測(cè)試還依據(jù)使用情境與設(shè)定來(lái)進(jìn)行評(píng)估，包括緊急停止時(shí)間與移動(dòng)距離測(cè)量、斷電下的緊急移動(dòng)、抓取裝置、彎折、軸向旋轉(zhuǎn)耐受性、教學(xué)模式下的低速運(yùn)動(dòng)測(cè)量、提拉與移動(dòng)、外殼強(qiáng)度等不同的機(jī)械性安全測(cè)試。
功能安全與可靠性是重點(diǎn)考量
除立即性的安全之外，長(zhǎng)久使用的安全可靠性也必須一併評(píng)估，ISO 13849是機(jī)器設(shè)備的功能安全可靠性國(guó)際規(guī)範(fàn)。ISO 13849將機(jī)器設(shè)備的安全可靠性分為五級(jí)，耐用次數(shù)分別從1萬(wàn)到1000萬(wàn)次不等。依據(jù)機(jī)械所造成的人身危險(xiǎn)性、接觸時(shí)間與頻率、風(fēng)險(xiǎn)可控制能力三種條件，評(píng)估出不同風(fēng)險(xiǎn)情況，並衍生出不同的安全性能等級(jí)要求。
另外，陳立閔也進(jìn)一步提醒，機(jī)器人安全除了要經(jīng)過(guò)一般性與可靠度測(cè)試之外，零組件和軟體的評(píng)估檢測(cè)更是重要，以進(jìn)行全面性的安全把關(guān)。機(jī)器人仰賴軟體進(jìn)行操作，軟體安全又必須與機(jī)器使用情境結(jié)合，一旦軟體失當(dāng)，就可能造成傷害。舉例來(lái)說(shuō)，近年來(lái)無(wú)人機(jī)的事故頻傳，其中不少事故明顯是因?yàn)檐涹w安全設(shè)定的問(wèn)題所導(dǎo)致。因?yàn)檐涹w安全在機(jī)器人安全設(shè)計(jì)中具有關(guān)鍵地位，而軟體設(shè)計(jì)的安全認(rèn)證更是許多機(jī)器人業(yè)者望之卻步的關(guān)鍵原因之一。因此在UL認(rèn)證中，UL將會(huì)分析並嚴(yán)格審查程式中的安全設(shè)計(jì)流程與規(guī)劃，確保軟體在設(shè)計(jì)流程與使用上，不會(huì)產(chǎn)生任何設(shè)計(jì)缺失所導(dǎo)致的安全風(fēng)險(xiǎn)。
然而機(jī)器人系統(tǒng)業(yè)者多視設(shè)計(jì)流程為機(jī)密，不願(yuàn)接受第三方的檢測(cè)認(rèn)證，也因此無(wú)法提供客觀的證據(jù)來(lái)說(shuō)服客戶其機(jī)器人的使用安全與可靠性，這成為了進(jìn)入市場(chǎng)的障礙。UL除了分析程式設(shè)計(jì)流程圖外，也會(huì)進(jìn)行多元化的場(chǎng)景測(cè)試，協(xié)助製造商全面且精準(zhǔn)地定義安全使用範(fàn)圍，並落實(shí)在機(jī)器人身上。認(rèn)證結(jié)果不但可檢測(cè)軟硬體是否能正常結(jié)合運(yùn)作及產(chǎn)品功能的完整性，而且也能確保設(shè)定不易遭到竄改進(jìn)而影響安全性。
機(jī)器人系統(tǒng)檢測(cè)驗(yàn)證服務(wù)
隨著機(jī)器人和機(jī)器人製造系統(tǒng)日漸廣泛應(yīng)用，其安全性也越加重要。「CE」標(biāo)識(shí)是一種安全認(rèn)證標(biāo)識(shí)，被視為製造商打開並進(jìn)入歐洲市場(chǎng)的護(hù)照。凡是貼有「CE」標(biāo)識(shí)的產(chǎn)品方可在歐盟各成員國(guó)內(nèi)銷售，商品在歐盟成員國(guó)範(fàn)圍均可自由流通。
機(jī)器人產(chǎn)品進(jìn)入歐盟市場(chǎng)，必須合法地取得CE認(rèn)證標(biāo)識(shí)的使用資格，這也就意味著產(chǎn)品必須符合歐盟關(guān)於機(jī)械安全性（機(jī)械指令2006/42/EC）、電磁相容性（電磁相容EMC指令2014/30/EU）以及機(jī)器人協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)（EN ISO 10218）的相關(guān)要求。
根據(jù)德國(guó)萊因表示，ISO/TS 15066為協(xié)作機(jī)器人相關(guān)的技術(shù)規(guī)範(fàn)， 可提供設(shè)計(jì)與使用參考標(biāo)準(zhǔn)給協(xié)作機(jī)器人的使用和生產(chǎn)廠商，目的在於消除與降低工作人員與協(xié)作機(jī)器人在生產(chǎn)作業(yè)時(shí)可能產(chǎn)生的危險(xiǎn)，內(nèi)容包含安全設(shè)計(jì)原則，例如在佈局設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮協(xié)作時(shí)的工作空間、通道與間隙，與人機(jī)介面等。此外，也包含協(xié)作機(jī)器人本體及功能設(shè)計(jì)，例如安全相關(guān)的控制功能、協(xié)同空間與操作設(shè)計(jì)，以及協(xié)同操作時(shí)的安全要求措施，包含安全額定監(jiān)控停止、手動(dòng)引導(dǎo)、速度及分隔監(jiān)控、動(dòng)力及力量限制。設(shè)計(jì)協(xié)作機(jī)器人時(shí)，必須要考慮到人的哪個(gè)部位會(huì)碰觸到機(jī)器人以及能夠承受的力量大小。
工業(yè)機(jī)器人與系統(tǒng)的安全要求
德國(guó)萊因認(rèn)為，為了避免與減少工安問(wèn)題，在設(shè)計(jì)機(jī)器設(shè)備時(shí)必須先進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)估，進(jìn)而透過(guò)設(shè)計(jì)或防護(hù)措施來(lái)降低操作上的危險(xiǎn)性。例如EN ISO 10218-1法規(guī)就規(guī)範(fàn)了工業(yè)機(jī)器人的基本安全設(shè)計(jì)、防護(hù)措施與使用資料的要求與準(zhǔn)則，並提出如何消除或充分地減少危害所需達(dá)到的要求。
機(jī)器人本身設(shè)計(jì)須具備安全性，如果在設(shè)計(jì)上面無(wú)法降低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，就得進(jìn)行安全防護(hù)。安全防護(hù)措施包括緊急跟保護(hù)性的停止，在不同情況下透過(guò)手動(dòng)或是自動(dòng)的方式停止機(jī)器人的運(yùn)作。倘若還有一些殘餘風(fēng)險(xiǎn)須列入考量的話，可利用警告標(biāo)識(shí)或訓(xùn)練人員熟悉設(shè)備，以降低使用風(fēng)險(xiǎn)。
| 圖四 : 機(jī)器人安全除了經(jīng)過(guò)可靠度測(cè)試之外，零組件和軟體的評(píng)估檢測(cè)更是重要，以進(jìn)行全面性的安全把關(guān)。 |
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EN ISO 10218-2規(guī)範(fàn)則包含了工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)與單元整合方面的安全要求，範(fàn)圍包含設(shè)計(jì)、製造、安裝、運(yùn)行、維護(hù)與報(bào)廢，由於機(jī)器人與其他機(jī)器設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)有明顯不同，因此在風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)估上，須納入以下考量點(diǎn)，例如機(jī)械能在大操作空間中進(jìn)行高能量運(yùn)動(dòng)、機(jī)器人的操作空間可能跟其他的機(jī)器設(shè)備工作區(qū)重疊，加上使用者隨時(shí)會(huì)改變操作要求，造成機(jī)器人手臂初始運(yùn)動(dòng)跟路徑的不確定性等。
跟安全相關(guān)的控制系統(tǒng)方面，牽涉到設(shè)計(jì)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)和空間的限制，例如根據(jù)EN ISO13857規(guī)定，透過(guò)安全距離的防護(hù)來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)，包含防止上肢與下肢觸及危險(xiǎn)區(qū)域所需的安全距離，或是採(cǎi)用像是壓力或電氣感應(yīng)的保護(hù)裝置，這些可做為EN ISO 10218機(jī)器人系統(tǒng)的保護(hù)措施。
歐盟指令與機(jī)器人相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
機(jī)器人本身屬於機(jī)械指令(2006/42/EC)界定的範(fàn)圍，須遵守機(jī)械指令下的機(jī)器人調(diào)和標(biāo)準(zhǔn)，包含工業(yè)機(jī)器人及機(jī)器人系統(tǒng)(EN ISO 10218-1、EN ISO 10218-2)、個(gè)人護(hù)理機(jī)器人(EN ISO 13482)標(biāo)準(zhǔn)，及與尚為草案標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)作機(jī)器人(ISO/TS 15066)技術(shù)規(guī)範(fàn)。由於機(jī)器人屬於電氣設(shè)備，因此也須符合電磁相容性指令(2014/30/EU)；若可能使用在防爆環(huán)境中，則必須符合防爆指令(2014/34/EU)。這些指令在歐盟都具有法律位階。
身為歐盟正式授權(quán)的國(guó)際認(rèn)證機(jī)構(gòu)，德國(guó)萊因已建立了全方位的機(jī)器人檢測(cè)認(rèn)證服務(wù)體系。不僅可為出口企業(yè)產(chǎn)品提供CE認(rèn)證服務(wù)，德國(guó)萊因亦是美國(guó)和加拿大兩國(guó)的認(rèn)可測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，可協(xié)助客戶的機(jī)械手臂產(chǎn)品經(jīng)過(guò)北美相關(guān)安全規(guī)範(fàn)驗(yàn)證後，即可同時(shí)進(jìn)入美國(guó)和加拿大市場(chǎng)。標(biāo)有cTUVus的產(chǎn)品可以證明其已符合美國(guó)及加拿大的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，可在美國(guó)和加拿大市場(chǎng)出售。同時(shí)德國(guó)萊因亦為中國(guó)CR的機(jī)器人認(rèn)證機(jī)構(gòu)合作，可為機(jī)器人產(chǎn)品銷往中國(guó)市場(chǎng)提供CR認(rèn)證服務(wù)。
倘若某些產(chǎn)品尚無(wú)調(diào)和標(biāo)準(zhǔn)可遵循時(shí)，可參考國(guó)家或者國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。若某些公司對(duì)產(chǎn)品有所要求、但無(wú)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)可依循時(shí)，德國(guó)萊因也會(huì)制定輔助性的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，像是機(jī)器人電纜柔軟度或其他功能相關(guān)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)以茲確認(rèn)。
人機(jī)協(xié)作 長(zhǎng)久安全是上策
傳統(tǒng)機(jī)械手臂設(shè)計(jì)以人機(jī)分離操作為主，不但把機(jī)器架設(shè)在圍籬中，也必須按照既定的程式操作，並無(wú)人機(jī)互動(dòng)的考量。隨著技術(shù)進(jìn)步，傳統(tǒng)人機(jī)設(shè)計(jì)限制了機(jī)器人的應(yīng)用，並不符合時(shí)代的趨勢(shì)，因而轉(zhuǎn)向與人互動(dòng)的設(shè)計(jì)需求時(shí)，安全設(shè)計(jì)就是其中最重要的關(guān)鍵。
安全性是設(shè)計(jì)機(jī)器人的必要考量。人類與機(jī)器人共同生活、互動(dòng)越來(lái)越頻繁，使得人機(jī)協(xié)作中安全性至關(guān)重要。安全不能只有一時(shí)，而要長(zhǎng)久安全性的確保，則有賴功能性安全評(píng)估。要如何辨別產(chǎn)品是否通過(guò)功能性安全評(píng)估，除認(rèn)明認(rèn)證標(biāo)示之外，標(biāo)示上方還可見(jiàn)到額外的「Functional Safety」以及相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)與分級(jí)敘述，這才代表其產(chǎn)品已經(jīng)過(guò)安全功能的可靠性評(píng)估，這也是與一般機(jī)電產(chǎn)品安全認(rèn)證的關(guān)鍵性差異。經(jīng)由具全球公信力的單位（如UL等）進(jìn)行認(rèn)證，可確保其具備人機(jī)協(xié)作能力的關(guān)鍵安全設(shè)計(jì)，並能夠在嚴(yán)格的條件下維持運(yùn)作。
