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人机协作的最大公约数 安全认证势在必行
人工智慧的安全关键
[作者 王岫晨]   2019年07月31日 星期三 浏览人次: [3421]

工业4.0的浪潮来袭。在这样的趋势下,制造业最重要的概念在於如何完成从原料到组装,乃至於出厂後的全数位化工作,数位化核心在於精准地装配,并生产产品。而这样的过程,唯有透过机器人操作,才能分毫不差的将产品组装完成,达成产业数位化的目标。


由於机器人是透过程式来进行运作,因此人类无需担心其工作将被取代。未来,复杂、繁琐与危险的工作将交由机器人来执行,而人类则可更专注於发挥想像力,或者进行更具创意发想的事,这也是大量运用机器人的重要目的。



图一 : 机器人的时代已经来临,能安全与人类互动才是未来趋势。而机器人要跨出围篱并近距离进行人机协作的最大关键,在於「安全」。
图一 : 机器人的时代已经来临,能安全与人类互动才是未来趋势。而机器人要跨出围篱并近距离进行人机协作的最大关键,在於「安全」。

机器人的时代已经来临,而机器人的设计方面,能安全地与人类互动才是未来趋势。多数人对於机器人的印象,仍停留在工厂的厂房之中所架设的冰冷且危险(除非关机否则人员无法靠近)的作业机器人,因此要跨出围篱并近距离进行人机协作应用的最大关键,在於「安全」。


安全是机器设备业者面临的最大挑战

职业灾害的产生是自动化工业进步的指标之一。日本的一份调查报告中显示,在1973年到2006年的34年间,原本下降的职灾比率居然在1985年开始攀升,并产生了安全倒退的情形。UL能源暨电力科技部事业发展经理陈立闵表示,这是因为在1985年後,机器的使用开始多元化,并大量使用自动控制来做为风险管控的方法,但自动控制本身却产生了使用年限与可靠度等问题,加上设计之初的安全防护机制不见得能适合真正的实际应用情境,在无法识别风险的情况下,往往会造成更多的职业灾害。机器虽然是生产线的好夥伴,却也可能成为无情的杀手。也因此,「安全」一直是机器人或机器设备业者所面临的最大挑战。



图二 : 为了减少工安问题,在设计机器设备时必须先进行风险识别与评估,进而透过设计来降低操作上的危险性。
图二 : 为了减少工安问题,在设计机器设备时必须先进行风险识别与评估,进而透过设计来降低操作上的危险性。

机器要安全使用,均仰赖安全的防护设计,安全防护一旦失效,就会造成生产力损失与人员的伤亡。各国劳工安全资料中,都有许多机器造成人员伤亡的案例。以台湾为例,单单2014年一年的职场机械灾害,就有包括坠落、滚落、跌倒、冲撞、物体等近6000例。其中作业伤亡多半都与动力机械相关,进而造成社会的负面观感,并让民众对於近距离接触机器有所疑虑。此外,因为机械意外所造成的身体损伤,除了迫使员工需长时间在家休养外,也影响了公司生产力。以食指受伤为例,一旦受伤则平均需要600天(将近2年)的恢复期。不但员工损失2年收入,对企业而言更是重大的生产力耗损。


第一套机器人安全标准UL 1740

全球第一部机器人的电气安全标准虽然早在於1995年早已制定,然而当时大多数是单独隔离的机器人为主要市场。随着技术演进与市场需求的改变,标准也进行升级,将机器人与人的互动情境纳入检测认证的要求。因此,获得美国国家认可的安全标准UL 1740能够与时俱进,持续适用於最新式的人机协作机器人。此外,UL 1740也与防火协会(NFPA)、美国机器人协会(RIA)的标准紧密结合,而其中主要的测试包括「电气测试」和「机械测试」两大类。



图三 : 安全性是设计机器人的必要考量。人类与机器人共同生活、互动越来越频繁,使得人机协作中安全性至关重要。
图三 : 安全性是设计机器人的必要考量。人类与机器人共同生活、互动越来越频繁,使得人机协作中安全性至关重要。

电是所有安全要素中,最容易造成危险与立即伤害的项目之一。因此,电气测试在机器人的认证中,仅基础测试项目就包含了电力输入、操作温度、负载、操作软体、过电压与欠电压、漏电流、手持部位、导体失效、驱动马达锁死、马达煞车、通风马达锁死、零组件破损、过载、断电与重启、紧急停止装置等多项主要检测项目。


此外,机械项目测试还依据使用情境与设定来进行评估,包括紧急停止时间与移动距离测量、断电下的紧急移动、抓取装置、弯折、轴向旋转耐受性、教学模式下的低速运动测量、提拉与移动、外壳强度等不同的机械性安全测试。


功能安全与可靠性是重点考量

除立即性的安全之外,长久使用的安全可靠性也必须一并评估,ISO 13849是机器设备的功能安全可靠性国际规范。ISO 13849将机器设备的安全可靠性分为五级,耐用次数分别从1万到1000万次不等。依据机械所造成的人身危险性、接触时间与频率、风险可控制能力三种条件,评估出不同风险情况,并衍生出不同的安全性能等级要求。


另外,陈立闵也进一步提醒,机器人安全除了要经过一般性与可靠度测试之外,零组件和软体的评估检测更是重要,以进行全面性的安全把关。机器人仰赖软体进行操作,软体安全又必须与机器使用情境结合,一旦软体失当,就可能造成伤害。举例来说,近年来无人机的事故频传,其中不少事故明显是因为软体安全设定的问题所导致。因为软体安全在机器人安全设计中具有关键地位,而软体设计的安全认证更是许多机器人业者??之却步的关键原因之一。因此在UL认证中,UL将会分析并严格审查程式中的安全设计流程与规划,确保软体在设计流程与使用上,不会产生任何设计缺失所导致的安全风险。


然而机器人系统业者多视设计流程为机密,不愿接受第三方的检测认证,也因此无法提供客观的证据来说服客户其机器人的使用安全与可靠性,这成为了进入市场的障碍。UL除了分析程式设计流程图外,也会进行多元化的场景测试,协助制造商全面且精准地定义安全使用范围,并落实在机器人身上。认证结果不但可检测软硬体是否能正常结合运作及产品功能的完整性,而且也能确保设定不易遭到窜改进而影响安全性。


机器人系统检测验证服务

随着机器人和机器人制造系统日渐广泛应用,其安全性也越加重要。「CE」标识是一种安全认证标识,被视为制造商打开并进入欧洲市场的护照。凡是贴有「CE」标识的产品方可在欧盟各成员国内销售,商品在欧盟成员国范围均可自由流通。


机器人产品进入欧盟市场,必须合法地取得CE认证标识的使用资格,这也就意味着产品必须符合欧盟关於机械安全性(机械指令2006/42/EC)、电磁相容性(电磁相容EMC指令2014/30/EU)以及机器人协调标准(EN ISO 10218)的相关要求。


根据德国莱因表示,ISO/TS 15066为协作机器人相关的技术规范, 可提供设计与使用叁考标准给协作机器人的使用和生产厂商,目的在於消除与降低工作人员与协作机器人在生产作业时可能产生的危险,内容包含安全设计原则,例如在布局设计时应考虑协作时的工作空间、通道与间隙,与人机介面等。此外,也包含协作机器人本体及功能设计,例如安全相关的控制功能、协同空间与操作设计,以及协同操作时的安全要求措施,包含安全额定监控停止、手动引导、速度及分隔监控、动力及力量限制。设计协作机器人时,必须要考虑到人的哪个部位会碰触到机器人以及能够承受的力量大小。


工业机器人与系统的安全要求

德国莱因认为,为了避免与减少工安问题,在设计机器设备时必须先进行风险识别与评估,进而透过设计或防护措施来降低操作上的危险性。例如EN ISO 10218-1法规就规范了工业机器人的基本安全设计、防护措施与使用资料的要求与准则,并提出如何消除或充分地减少危害所需达到的要求。


机器人本身设计须具备安全性,如果在设计上面无法降低风险等级,就得进行安全防护。安全防护措施包括紧急跟保护性的停止,在不同情况下透过手动或是自动的方式停止机器人的运作。倘若还有一些残馀风险须列入考量的话,可利用警告标识或训练人员熟悉设备,以降低使用风险。



图四 : 机器人安全除了经过可靠度测试之外,零组件和软体的评估检测更是重要,以进行全面性的安全把关。
图四 : 机器人安全除了经过可靠度测试之外,零组件和软体的评估检测更是重要,以进行全面性的安全把关。

EN ISO 10218-2规范则包含了工业机器人系统与单元整合方面的安全要求,范围包含设计、制造、安装、运行、维护与报废,由於机器人与其他机器设备的运行特点有明显不同,因此在风险识别与评估上,须纳入以下考量点,例如机械能在大操作空间中进行高能量运动、机器人的操作空间可能跟其他的机器设备工作区重叠,加上使用者随时会改变操作要求,造成机器人手臂初始运动跟路径的不确定性等。


跟安全相关的控制系统方面,牵涉到设计、机械运动和空间的限制,例如根据EN ISO13857规定,透过安全距离的防护来降低风险,包含防止上肢与下肢触及危险区域所需的安全距离,或是采用像是压力或电气感应的保护装置,这些可做为EN ISO 10218机器人系统的保护措施。


欧盟指令与机器人相关标准

机器人本身属於机械指令(2006/42/EC)界定的范围,须遵守机械指令下的机器人调和标准,包含工业机器人及机器人系统(EN ISO 10218-1、EN ISO 10218-2)、个人护理机器人(EN ISO 13482)标准,及与尚为草案标准的协作机器人(ISO/TS 15066)技术规范。由於机器人属於电气设备,因此也须符合电磁相容性指令(2014/30/EU);若可能使用在防爆环境中,则必须符合防爆指令(2014/34/EU)。这些指令在欧盟都具有法律位阶。


身为欧盟正式授权的国际认证机构,德国莱因已建立了全方位的机器人检测认证服务体系。不仅可为出囗企业产品提供CE认证服务,德国莱因亦是美国和加拿大两国的认可测试实验室,可协助客户的机械手臂产品经过北美相关安全规范验证後,即可同时进入美国和加拿大市场。标有cTUVus的产品可以证明其已符合美国及加拿大的国家标准,可在美国和加拿大市场出售。同时德国莱因亦为中国CR的机器人认证机构合作,可为机器人产品销往中国市场提供CR认证服务。


倘若某些产品尚无调和标准可遵循时,可叁考国家或者国际标准。若某些公司对产品有所要求、但无国际标准可依循时,德国莱因也会制定辅助性的测试标准,像是机器人电缆柔软度或其他功能相关的测试标准以兹确认。


人机协作 长久安全是上策

传统机械手臂设计以人机分离操作为主,不但把机器架设在围篱中,也必须按照既定的程式操作,并无人机互动的考量。随着技术进步,传统人机设计限制了机器人的应用,并不符合时代的趋势,因而转向与人互动的设计需求时,安全设计就是其中最重要的关键。


安全性是设计机器人的必要考量。人类与机器人共同生活、互动越来越频繁,使得人机协作中安全性至关重要。安全不能只有一时,而要长久安全性的确保,则有赖功能性安全评估。要如何辨别产品是否通过功能性安全评估,除认明认证标示之外,标示上方还可见到额外的「Functional Safety」以及相关的标准与分级叙述,这才代表其产品已经过安全功能的可靠性评估,这也是与一般机电产品安全认证的关键性差异。经由具全球公信力的单位(如UL等)进行认证,可确保其具备人机协作能力的关键安全设计,并能够在严格的条件下维持运作。


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