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人機協作的最大公約數 安全認證勢在必行
人工智慧的安全關鍵

【作者: 王岫晨】   2019年07月31日 星期三

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工業4.0的浪潮來襲。在這樣的趨勢下,製造業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位化工作,數位化核心在於精準地裝配,並生產產品。而這樣的過程,唯有透過機器人操作,才能分毫不差的將產品組裝完成,達成產業數位化的目標。


由於機器人是透過程式來進行運作,因此人類無需擔心其工作將被取代。未來,複雜、繁瑣與危險的工作將交由機器人來執行,而人類則可更專注於發揮想像力,或者進行更具創意發想的事,這也是大量運用機器人的重要目的。



圖一 : 機器人的時代已經來臨,能安全與人類互動才是未來趨勢。而機器人要跨出圍籬並近距離進行人機協作的最大關鍵,在於「安全」。
圖一 : 機器人的時代已經來臨,能安全與人類互動才是未來趨勢。而機器人要跨出圍籬並近距離進行人機協作的最大關鍵,在於「安全」。

機器人的時代已經來臨,而機器人的設計方面,能安全地與人類互動才是未來趨勢。多數人對於機器人的印象,仍停留在工廠的廠房之中所架設的冰冷且危險(除非關機否則人員無法靠近)的作業機器人,因此要跨出圍籬並近距離進行人機協作應用的最大關鍵,在於「安全」。


安全是機器設備業者面臨的最大挑戰

職業災害的產生是自動化工業進步的指標之一。日本的一份調查報告中顯示,在1973年到2006年的34年間,原本下降的職災比率居然在1985年開始攀升,並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,這是因為在1985年後,機器的使用開始多元化,並大量使用自動控制來做為風險管控的方法,但自動控制本身卻產生了使用年限與可靠度等問題,加上設計之初的安全防護機制不見得能適合真正的實際應用情境,在無法識別風險的情況下,往往會造成更多的職業災害。機器雖然是生產線的好夥伴,卻也可能成為無情的殺手。也因此,「安全」一直是機器人或機器設備業者所面臨的最大挑戰。



圖二 : 為了減少工安問題,在設計機器設備時必須先進行風險識別與評估,進而透過設計來降低操作上的危險性。
圖二 : 為了減少工安問題,在設計機器設備時必須先進行風險識別與評估,進而透過設計來降低操作上的危險性。

機器要安全使用,均仰賴安全的防護設計,安全防護一旦失效,就會造成生產力損失與人員的傷亡。各國勞工安全資料中,都有許多機器造成人員傷亡的案例。以台灣為例,單單2014年一年的職場機械災害,就有包括墜落、滾落、跌倒、衝撞、物體等近6000例。其中作業傷亡多半都與動力機械相關,進而造成社會的負面觀感,並讓民眾對於近距離接觸機器有所疑慮。此外,因為機械意外所造成的身體損傷,除了迫使員工需長時間在家休養外,也影響了公司生產力。以食指受傷為例,一旦受傷則平均需要600天(將近2年)的恢復期。不但員工損失2年收入,對企業而言更是重大的生產力耗損。


第一套機器人安全標準UL 1740

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。隨著技術演進與市場需求的改變,標準也進行升級,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。



圖三 : 安全性是設計機器人的必要考量。人類與機器人共同生活、互動越來越頻繁,使得人機協作中安全性至關重要。
圖三 : 安全性是設計機器人的必要考量。人類與機器人共同生活、互動越來越頻繁,使得人機協作中安全性至關重要。

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


此外,機械項目測試還依據使用情境與設定來進行評估,包括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、彎折、軸向旋轉耐受性、教學模式下的低速運動測量、提拉與移動、外殼強度等不同的機械性安全測試。


功能安全與可靠性是重點考量

除立即性的安全之外,長久使用的安全可靠性也必須一併評估,ISO 13849是機器設備的功能安全可靠性國際規範。ISO 13849將機器設備的安全可靠性分為五級,耐用次數分別從1萬到1000萬次不等。依據機械所造成的人身危險性、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,並衍生出不同的安全性能等級要求。


另外,陳立閔也進一步提醒,機器人安全除了要經過一般性與可靠度測試之外,零組件和軟體的評估檢測更是重要,以進行全面性的安全把關。機器人仰賴軟體進行操作,軟體安全又必須與機器使用情境結合,一旦軟體失當,就可能造成傷害。舉例來說,近年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所導致。因為軟體安全在機器人安全設計中具有關鍵地位,而軟體設計的安全認證更是許多機器人業者望之卻步的關鍵原因之一。因此在UL認證中,UL將會分析並嚴格審查程式中的安全設計流程與規劃,確保軟體在設計流程與使用上,不會產生任何設計缺失所導致的安全風險。


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來說服客戶其機器人的使用安全與可靠性,這成為了進入市場的障礙。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,協助製造商全面且精準地定義安全使用範圍,並落實在機器人身上。認證結果不但可檢測軟硬體是否能正常結合運作及產品功能的完整性,而且也能確保設定不易遭到竄改進而影響安全性。


機器人系統檢測驗證服務

隨著機器人和機器人製造系統日漸廣泛應用,其安全性也越加重要。「CE」標識是一種安全認證標識,被視為製造商打開並進入歐洲市場的護照。凡是貼有「CE」標識的產品方可在歐盟各成員國內銷售,商品在歐盟成員國範圍均可自由流通。


機器人產品進入歐盟市場,必須合法地取得CE認證標識的使用資格,這也就意味著產品必須符合歐盟關於機械安全性(機械指令2006/42/EC)、電磁相容性(電磁相容EMC指令2014/30/EU)以及機器人協調標準(EN ISO 10218)的相關要求。


根據德國萊因表示,ISO/TS 15066為協作機器人相關的技術規範, 可提供設計與使用參考標準給協作機器人的使用和生產廠商,目的在於消除與降低工作人員與協作機器人在生產作業時可能產生的危險,內容包含安全設計原則,例如在佈局設計時應考慮協作時的工作空間、通道與間隙,與人機介面等。此外,也包含協作機器人本體及功能設計,例如安全相關的控制功能、協同空間與操作設計,以及協同操作時的安全要求措施,包含安全額定監控停止、手動引導、速度及分隔監控、動力及力量限制。設計協作機器人時,必須要考慮到人的哪個部位會碰觸到機器人以及能夠承受的力量大小。


工業機器人與系統的安全要求

德國萊因認為,為了避免與減少工安問題,在設計機器設備時必須先進行風險識別與評估,進而透過設計或防護措施來降低操作上的危險性。例如EN ISO 10218-1法規就規範了工業機器人的基本安全設計、防護措施與使用資料的要求與準則,並提出如何消除或充分地減少危害所需達到的要求。


機器人本身設計須具備安全性,如果在設計上面無法降低風險等級,就得進行安全防護。安全防護措施包括緊急跟保護性的停止,在不同情況下透過手動或是自動的方式停止機器人的運作。倘若還有一些殘餘風險須列入考量的話,可利用警告標識或訓練人員熟悉設備,以降低使用風險。



圖四 : 機器人安全除了經過可靠度測試之外,零組件和軟體的評估檢測更是重要,以進行全面性的安全把關。
圖四 : 機器人安全除了經過可靠度測試之外,零組件和軟體的評估檢測更是重要,以進行全面性的安全把關。

EN ISO 10218-2規範則包含了工業機器人系統與單元整合方面的安全要求,範圍包含設計、製造、安裝、運行、維護與報廢,由於機器人與其他機器設備的運行特點有明顯不同,因此在風險識別與評估上,須納入以下考量點,例如機械能在大操作空間中進行高能量運動、機器人的操作空間可能跟其他的機器設備工作區重疊,加上使用者隨時會改變操作要求,造成機器人手臂初始運動跟路徑的不確定性等。


跟安全相關的控制系統方面,牽涉到設計、機械運動和空間的限制,例如根據EN ISO13857規定,透過安全距離的防護來降低風險,包含防止上肢與下肢觸及危險區域所需的安全距離,或是採用像是壓力或電氣感應的保護裝置,這些可做為EN ISO 10218機器人系統的保護措施。


歐盟指令與機器人相關標準

機器人本身屬於機械指令(2006/42/EC)界定的範圍,須遵守機械指令下的機器人調和標準,包含工業機器人及機器人系統(EN ISO 10218-1、EN ISO 10218-2)、個人護理機器人(EN ISO 13482)標準,及與尚為草案標準的協作機器人(ISO/TS 15066)技術規範。由於機器人屬於電氣設備,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。


身為歐盟正式授權的國際認證機構,德國萊因已建立了全方位的機器人檢測認證服務體系。不僅可為出口企業產品提供CE認證服務,德國萊因亦是美國和加拿大兩國的認可測試實驗室,可協助客戶的機械手臂產品經過北美相關安全規範驗證後,即可同時進入美國和加拿大市場。標有cTUVus的產品可以證明其已符合美國及加拿大的國家標準,可在美國和加拿大市場出售。同時德國萊因亦為中國CR的機器人認證機構合作,可為機器人產品銷往中國市場提供CR認證服務。


倘若某些產品尚無調和標準可遵循時,可參考國家或者國際標準。若某些公司對產品有所要求、但無國際標準可依循時,德國萊因也會制定輔助性的測試標準,像是機器人電纜柔軟度或其他功能相關的測試標準以茲確認。


人機協作 長久安全是上策

傳統機械手臂設計以人機分離操作為主,不但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,因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。


安全性是設計機器人的必要考量。人類與機器人共同生活、互動越來越頻繁,使得人機協作中安全性至關重要。安全不能只有一時,而要長久安全性的確保,則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,除認明認證標示之外,標示上方還可見到額外的「Functional Safety」以及相關的標準與分級敘述,這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的關鍵性差異。經由具全球公信力的單位(如UL等)進行認證,可確保其具備人機協作能力的關鍵安全設計,並能夠在嚴格的條件下維持運作。


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