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技術趨勢
淺談人機協作安全環境 迎向安全智慧工廠
2022.03.17∣瀏覽數:303

淺談人機協作安全環境
迎向安全智慧工廠

編輯部 趙翊雯

隨著機器人產業的發展,其安全性並非既定印象中,製程上使用機器人就會比傳統人工安全。若於裝設機器人時,在其四周並無加裝與其對應的安全裝置,反而會讓操作者降低對於機器人的安全警戒心,造成進一步的傷害。近期各國製造業發生多起涉及機器人的勞工罹災事件,調查發現意外多是發生在故障維修或重新設定時,原因除了人為疏失,更多是安全功能失效或控制功能失效。隨著科技發展,機器人與勞工協同作業的環境將逐漸普遍,安全問題亦更趨複雜。


何謂工業機器人與協同作業機器人

隨著機器人產業的發展,其安全性並非既定印象中,製程上使用機器人就會比傳統人工安全。若於裝設機器人時,在其四周並無加裝與其對應的安全裝置,反而會讓操作者降低對於機器人的安全警戒心,造成進一步的傷害。近期各國製造業發生多起涉及機器人的勞工罹災事件,調查發現意外多是發生在故障維修或重新設定時,原因除了人為疏失,更多是安全功能失效或控制功能失效。隨著科技發展,機器人與勞工協同作業的環境將逐漸普遍,安全問題亦更趨複雜



ISO/TS 15066協同作業機器人安全標準淺談

ISO/TS 15066:2016 (Robots androbotic devices - Collaborative robots),規定協同作業機器人之協同作業操作必須包含(a)安全額定監控停止(Safety-ratedmonitored s t o p ) 、( b ) 手動引導(Handguiding)、(c)速率及分隔監控(Speed andseparation monitoring)、(d)功率及施力限制(Power and force limiting)中的一項或多項要求。以下簡單說明:

安全額定監控停止(Safety-rated monitored stop)

在ISO/TS 15066:2016中,使用安全額定監控停止機器人功能,在操作員進入協同作業空間(圖3)與機器人系統互動並完成工作之前,停止在協同作業空間內的機器人動作。若在協同作業空間內沒有操作員,機器人可用非協同作業操作;當機器人系統在協同作業空間內時,執行安全額定監控功能,並且讓機器人動作停止,允許操作員進入協同作業空間。只有在操作員已經退出協同作業空間之後,機器人系統動作才可在沒有任何額外干預的情況下重新啟動。表1概述安全額定監控停止功能的操作。



手動引導(Hand guiding)

在這種操作方法中,操作員使用手動操作裝置來向機器人系統發送動作命令。在允許操作員進入協同作業空間及進行手動引導工作之前,機器人需達到安全額定監控停止。透過手動致動位於或接近機器人端效器的引導裝置來執行此工作。用於手動引導的機器人系統可以配備附加功能,例如增大施力、虛擬安全區或追蹤技術。

速率及分隔監控(Speed and separation monitoring)

在這種操作方法中,機器人系統及操作員可以在協同作業空間內同時移動。透過在操作員與機器人之間,始終保持保護性分隔距離以降低風險。在機器人動作期間,機器人系統絕不會比保護性分隔距離更接近操作員。當分隔距離減小到低於保護性分隔距離的值時,機器人系統會停止。當操作員遠離機器人系統時,機器人系統可以依據本的要求在至少保持保護性分隔距離之下自動重啟動作。當機器人系統速率降低時,保護性分隔距離會相對應地減小。

功率及施力限制(Power and force limiting)

在此操作方法中,機器人系統(包含工件)與操作員之間可能發生蓄意或非蓄意地身體接觸。功率及施力受限制的協同作業需要專門為這種特定類型的操作而設計機器人系統。透過讓與機器人系統相關的危害保持低於風險評鑑期間所決定的閾限值,藉由機器人中的固有安全方法或透過安全相關控制系統,降低風險。

機器人之停止時間及碰撞力/碰撞壓力測試

不論是工業機器人本身之停止時間或工業機器人搭配安全裝置(例如光柵)造成的停止時間,都是評估工業機器人安全性能的一個重要參數。而相對於工業機器人,協同作業機器人與人之間的碰撞力和碰撞壓力,更是協同作業機器人重要的性能指標。以下將簡單介紹停止時間及碰撞力/碰撞壓力的測試方法:

停止時間量測(對象:工業機器人本體)

主要利用外部的訊號觸發,來取得工業機器人本體之停止時間數據。在此分感應端、觸動端以及停止時間量測儀進行介紹。

感應端設定:( 1 ) 依據ISO 10218-1:2011附錄B,須在工業機器人最大負載之33%、66%及100%下,進行停止時間之量測。(2) 依據ISO 10218-1:2011附錄B,須在工業機器人最大速率之33%、66%及100%下,進行停止時間之量測,比較值得注意的是,量測工業機器人的停止時間,是以量測單軸為主,故在量測某特定軸的時候,其餘的軸是不可以移動的。(3) 依據ISO 10218-1:2011附錄B,須在工業機器人最大位移之33%、66%及100%下,進行停止時間之量測。

觸動端設定:依據ISO 10218-1:2011附錄B,藉由觸發停止訊號(圖4),讓工業機器人達到停止動作的效果,進而測得停止時間(圖5)。其中,觸發是利用「觸動器」來按壓緊急停止按鈕。



停止時間量測儀介紹:工業機器人停止時間的量測,藉由圖6、圖7及圖8之量測儀器組成,停止時間量測儀包含有主機一台、觸動器及感應器。觸動器及感應器與主機連接後,感應器可拉出一條鋼索與待測機器人手臂(軸)進行連結,且於主機上設定觸發觸動器之位置。當啟動機器人手臂後,達到設定位置時,會觸發觸動器,進而觸動緊急停止裝置,造成機器手臂停機,此時,主機會紀錄這一段動作的時間差,也就是所謂的停止時間。




停止時間量測(對象:工業機器人搭配安全裝 置(例如光柵)

使用者實際使用工業機器人時,會利用工業機器人進行取料或放料的動作,所以整體動作就是在A點取料後,移動至B點進行放料(圖9)。而這樣的連續動作所運用到的手臂,一定不只單軸,而是可能六軸都會進行局部的運動,才能由A點移動至B點。所以工業機器人應用在使用者端的話,會依照現場的使用模式來進行停止時間的量測。

如圖9所示,機器人會從A點移動至B點,我們利用停止時間量測儀量測此路徑中,端效器移動最快速度的發生位置(圖10),然後在停止時間量測儀中設定機器人移動至此位置(端效器速度最快位置)時,將觸動器觸發,進而阻斷光柵,造成機器人停止動作後,即可量測到所對應的停止時間(圖11)。而利用所量到的停止時間,就可以推算出光柵安裝所需安全距離的大小。




碰撞力量測(對象:協同作業機器人)

依據欲量測之身體受力部位,選擇不同的阻尼材質K1(圖12)及彈簧係數K2(力感測器,如圖13),如表2所示。如欲同步量測身體受壓力狀況,則需在組合適當之阻尼材質與力感測器(圖14)後,於阻尼材質上面,鋪上一層壓力量測薄膜。

基本之量測步驟:第一,於機器手臂設定欲碰撞的位置及速度;第二,設定機器手臂行走路徑,在指定位置及指定速度下,碰撞力感測器(力感測器必須堅固且牢靠的固定,使得其在機器手臂撞擊下,不會移位);第三,碰撞力感測器時,需碰撞力感測器的中心點;第四,於力感測器上讀取碰撞力之數值FT與FS。其中,FT為暫態接觸(transientcontact)所承受的力,在此情形下,操作員的身體部分沒有被夾住,且可以從機器人系統之移動部分退回或縮回,因此造成短時間之實際接觸,暫態接觸取決於機器人之慣性。而FS則為準靜態接觸(quasi-static contact)所承受的力,在此情形下,操作員的身體部分可能被夾在機器人系統與另一個固定或移動的物件之中,且機器手臂的力會持續一段時間,直到力量減輕,量測範例如圖15,而圖16則是碰撞力之趨勢圖範例。





碰撞壓力量測(對象:協同作業機器人)

基本之量測步驟,與量測碰撞力相同,差異僅在量測碰撞壓力時,須披覆一層壓力量測薄膜在阻尼材質上面,而在經過碰撞後,利用壓力量測薄膜掃描器掃描壓印過後的壓力量測薄膜,於該應用軟體上即可顯示出其壓力大小及範圍,量測結果如圖17所示。

協同作業機器人碰撞到操作員時,碰撞力或碰撞壓力與時間關係如圖18所示。在ISO/TR 15066:2016,針對不同部位,提供準靜態接觸(FS)及暫態接觸(FT)的閾限值資訊,可利用這些資訊得到發生危害時最壞情況的閾限值,再經由風險防護降低,使接觸力低於標準訂定之最壞情況的閾限值,表3為標準要求的人體不同部位可承受的暫態及穩態的最大壓力及最大許可力,表格中雖然有提供臉部、頭殼與額頭的相關數據,但依照標準要求,是不允許且應防止機器人接近此等敏感的身體部位。




 

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