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工安設計讓機器手臂更安全
人機共工時代來臨

【作者: 王明德】   2016年04月27日 星期三

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工業4.0與智慧工廠成為製造業的重要趨勢,而要讓智慧化願景成真,自動化架構勢不可免,簡單來說,智慧化是自動化的延伸,透過設置於自動化機台上的感測器與控制器,擷取設備各類數據後,再由後端系統分析,以制定相關策略,令設備的自動化動作有其智慧意涵,在自動化系統中,機械手臂向來是極重要的一環,設置於產線中的機械手臂,與作業人員共工的機率相當高,因此如何避免人員為機械手臂所傷,就成為機械手重要設計。


目前的機械手臂發展可分為線性手臂、SCARA手臂、關節多軸機械手臂等,其應用各有不同,線性手臂與SCARA手臂多用於體積較小、重量較輕的零組件組裝,關節式多軸手臂則有依其設計,分為小、中、大、重型等4種區別,20kg以下為小型、20kg~60kg為中型、60kg~300kg為大型、300kg以上為大型,由於關節式多軸機械手臂的抓取物有一定重量,且產線效率要求下,動作速度都相當快,重力加速度所產生質量相當大,若與人體發生碰撞,極容易受傷,因此中、大、重型關節是多軸機械手臂,都會使用圍籬作業人員區隔,避免發生碰撞。


機械手臂工安SOP

目前機器手臂圍籬可分為實體與光柵兩種,實體圍籬以金屬製成隔板或網狀,阻絕人、物的進入,光柵顧名思義就是以光線隔絕,這兩類架構都會與機械手臂鏈接,若有人強行進入,機械手臂會即時停止動作,以防誤傷人體。


機器手臂的圍籬通常在導入初期就會一併設計,由於現在這類圍籬產品的技術不難,導入也容易,製造業者通常找系統廠商直接安裝,這種方式通常不會設計整套的工安標準流程,其安全防護僅在機械手臂動作期間,或許有人會認為,機械手臂在未動作時不會發生意外,不必納入相關規範,但有業者曾經發生過,維修人員身形被機械手臂擋住,也未在圍籬入口掛告示牌,結果操作人員未經檢查逕行開啟,所幸經出聲後操作人員立即關閉機台,未造成維修人員受傷。



圖1 : 設置於產線中的機械手臂,與作業人員共工的機率相當高。(Source: Universal Robots)
圖1 : 設置於產線中的機械手臂,與作業人員共工的機率相當高。(Source: Universal Robots)

現在機械手臂的安全設計考量,除了確保正常操作的安全外,不正常操作時的安全也需納入,因為傷害多為不正常操作,像是今年台灣南部曾經發生機械手臂動作後,工作人員才發現抹布掛在上面,情急之下進入拿取結果受傷,業界人士指出,不管是正常操作或不正常操作,機械手臂在動作時都必須要有一定的標準化流程,以前文為例,機械手臂的維修標準流程,應是進入圍籬後,先掛上作業標示牌,再從內部反鎖圍籬,如此一來其他人員便可清楚知道目前手臂正處於維修狀態。


至於非正常操作的安全設計,這必須由設備內部設計著手,內部設計包括「安全迴路」與「安全元件」的建構,這類安全設計與過去設備的思維不同,以往的設計思維是當機械手臂出現異常後,立刻出警報,通知前端有異常發生,安全迴路與安全元件的作法,則是機械手臂在動作時,迴路會隨時間手臂狀態。



圖2 : 機械手臂的安全設計考量,除了確保正常操作的安全外,不正常操作時的安全也需納入,因為傷害多為不正常操作。(Source: HIS Engineers 360)
圖2 : 機械手臂的安全設計考量,除了確保正常操作的安全外,不正常操作時的安全也需納入,因為傷害多為不正常操作。(Source: HIS Engineers 360)

一旦手臂內的安全元件未達迴路所射的的標準,系統會即時發出斷電指示,並通知後端管理人檢查,直到手臂安全疑慮排除,才能重啟系統,因此所謂非正常操作時的安全控管,在這部份的解讀應為「預防非正常操作」,另一部份的作法則是在機器手臂上設置感測器,當手臂接觸人體、物品等異物時,系統會主動發出指令停止手臂動作,必面傷害持續發生,另外機械手臂也需設有乙太網路通訊埠,手臂一旦有異常動作,後端會立即通知並紀錄,以供後端系統統計備查。


智慧巡檢 人機合力保工安

除了透過設備內建的感測器與通訊網路外,廠房的巡檢也是機械手臂工安規範中相當重要的一環,前兩年談到智慧工廠時,業界曾有人提出「無人工廠」、「關燈生產」等概念,不過設備業者指出,「無人工廠」並非智慧工廠的最佳效益作法,智慧工廠還是必須配置一定的人力,只是這些人力不再負責重複的製造動作,而是從事更具智慧、更高附加價值的工作,畢竟多數工作,機器仍無法取代人力,其中巡檢工作也是。


巡檢屬於智慧工廠中,廠務管理的一部分,透過人員的巡察,紀錄並即時改正廠內各處的疏失,在滿佈機械手臂的廠房中,人工巡檢可定時確認手臂運作處的實際狀況,確保機具完整以維繫生產效能,根據機器人協會的統計,設備事故問題發生因素,機械失效比例為最高,佔43%,平均造成的損失達到7.2億美元,因此設備劣化風險預知機制的建立,已成為各生產設備商的重點設計,機械手臂部份,除了前述的安全元件與安全迴路的內部設計外,外部的巡檢也是確保機械手臂順暢運作的重點。



圖3 : 機械手臂的工安設計目前主要是透過圍籬阻絕外部的人、物,除此之外還須設置層層規範,方能落實工安概念。(攝影/王明德)
圖3 : 機械手臂的工安設計目前主要是透過圍籬阻絕外部的人、物,除此之外還須設置層層規範,方能落實工安概念。(攝影/王明德)

過去廠房的巡檢多採紙本作業方式,由巡檢人員攜帶表單,到各指定點檢查,並以手抄紀錄,不過這種作法會產生幾種疏失,1.容易因筆誤或對表格的不熟悉造成錯誤。2.龐大的紙類表單加重後續的管理難度。3.人員難以控管,無法確定是否有至各點巡察。


這種種問題,業界人士建議可利用近年來興起的Beacon技術解決,Beacon是一種定位裝置,可以藍牙與手持式裝置互聯,透過手持式裝置的操作,創造出大量的創意應用,Beacon這幾年的應用主要在消費端,例如美國NFL球團49人隊在主球場中的每個座位都設置了Beacon,觀眾可用手機連上Beacon點餐,不必像以往必須離開位置去攤位購餐,而由服務人員依照Beacon所顯示的位置送餐,此一作法讓49人隊每場球賽的餐飲銷售額多出200萬美元。


Beacon解決紙本作業疏失

在製造現場,Beacon可取代以往的紙本作業,其作法是在定點設置Beacon,當巡檢人員走近時,Beacon會主動與巡檢人員手上的手持式裝置連線,巡檢人員也可透過手上設備紀錄需改善處,並將紀錄即時上傳,而維修工程師與清潔人員也都被納入同一平台中,看到需改善處,便可即時處理。


Beacon的作法可以解決紙本的各種疏失,首先是避免因筆誤讓其他員工不易辯讀字跡,另外所有資料數位化後,可累積為資料庫,除了簡化搜尋動作外,龐大的資料量將可建立為更客靠的資料樣本,作為相關策略的制定依據,另外Beacon的主動連線紀錄,可確認巡檢人員有確實到場檢查,杜絕紙本作業容易發生的敷衍情事。


放眼未來趨勢,機械手臂已成為自動化與智慧化廠房的代表性設備,隨著大陸人工成本的高漲,各製造業者也逐漸加快導入速度,而機械手臂與人員的共工也勢在必行此,在此態勢下,工安規範的制定更行重要,無論是機械手臂的內部設計或外部巡檢制度,業者都必須審視本身特色,與系統整合商級配合,方能制定出最妥善的相關制度。


*刊頭圖片來源(Source:F&P)


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