robot 機器人

當人們因操作、程式設計、或是維修等原因接近機器人的工作區域之內，則可能冒著未知的危險進入。尤其是一般工作人員，必須在機器人附近二十至三十公分的地方操作，因此，危險性是很高的。當系統發生故障、或是操作不當時，相關人員很可能因為無法有足夠的時間反應，去觸碰緊急停止開關，甚至可能連釋放死人開關都來不及，意外就發生了。因此，許多工業界人士及學者均對機器人的安全速度應為多少感到關切。

經統計，發現人在察覺狀況後，作任何一個簡單的動作約需0.3至1秒的反應時間。換言之，當人察覺機器人有狀況後按下停止開關約時0.3至1秒。一份1990年的研究報告[12]指出，將機器人在發生問題至完成按下停止開關的時間內所移動的距離稱為I害距離?Overrun Distance)。侵害距離小於10公分者為w全區F侵害距離在10至20公分者為i能碰撞區F若侵害距離在30公分以上，則算是M險區C這三區與機器人移動速度、及觸碰開關的一秒內時間之關係圖如下圖所示。


由上圖的結果，可知機器人速度在10 cm/sec之內，則人員應有完全足夠的反應時間來反應；若在40 cm/sec以上，則很可能會發生危險，因此，合理的機器人安全速度應在10 cm/sec至40 cm/sec之間。

根據美國國家標準局(American National Standard Institude)之規定，安全速度宜設定在25 cm/sec，然而，許多研究結果顯示，因為考量到亮度等環境因素的不同，安全速度宜設定的更低，有20 cm/sec者，亦有17 cm/sec者。

依上所述之機器人安全速度，以及人在發現危險後(不論是自己察覺、或是由感應器告知)，一直到完成觸碰安全按鈕之時間為一秒，我們可以尋找一個合理的機器人虛擬邊界(Robot Virtual Boundary)值。

以美國國家標準局之規定為準，機器人安全速度為25 cm/sec。當工作人員在十分專注其安全狀況下，一秒之反應時間是足夠的，但這是一個在很理想的情形之下所做的調查研究結果。在真實的工作環境中，工作人員可能因為疲倦、噪音干擾、甚至個人心理因素等，無法在危急發生時，冷靜且專心的在一秒內達成其應有之反應動作 - 觸碰安全開關。

因此，在此提出機器人虛擬邊界(Robot Virtual Boundary)的理論，即是以美國國家標準局之規定為準，機器人安全速度為25 cm/sec，而反應時間則暫定為一秒。因此，將機器人虛擬邊界值設定為30 cm應是合理的。當人員進入30 cm的機器人虛擬邊界內，系統會自動執行停止的動作。

接下來就可將如前述之機器人虛擬邊界理論，與中央監控系統作一整合，同時結合位置追蹤感測單元，即時同步進行碰撞偵測，完成機器人防撞之安全防護措施。

目前機器人虛擬邊界定義為距機器人運動部份三十公分的空間，中央監控系統依據磁感式位置追蹤器所送回的機器人和物件資料，不斷的計算。當物件與機器人距離小於此範圍時，中央監控系統即下達停止命令予控制器，此時可觀察到機器人立即停止運動。

在虛擬邊界之外，目前定義以三十至五十公分之間的空間範圍為機器人應減速的範圍。透過位置追蹤器各接收器所傳送的物件與機器人位置資料可知物件是否進入此範圍。一旦物件進入此範圍內，中央監控系統即下達減速命令予控制器執行。由於機器人控制器為一以個人電腦為根基(PC-based)之控制器，該控制器可下達軟體命令以執行減速功能。減速命令宜定義為機器人安全速度，25 cm/sec。

機器人之不可預期之錯誤動作是一件非常危險的動作，很可能會造成人員傷害或是機件受損等情形。本機器人安全防護計畫，根據機器人之正常運動狀態軌跡與機器人正在運動之狀態軌跡做一分析與比對；當其運動狀態超出某正常範圍值之時(目前定義為機器人虛擬邊界)，機器人即處於一不可預期之錯誤動作，此時則應採取適當之安全防護措施，工業用機器人控制器軟體可將所規化之路徑與位置追蹤器所得之位置資料作一比對，若超過機器人虛擬邊界值，則機器人控制器將透過Ethernet區域網路將此異常迅息送至中央監控系統，中央監控系統便可下達煞車指令予機器人控制器，以確保人員與機具之安全。

主動式機器人安全防護系統係根據機器人安全速度與人類正常之反應時間，推測出合理之機器人虛擬邊界。藉著機器人不同的安全操作區域，可將機器人虛擬邊界原理與不同層次的傳統機器人防護加以結合，以構建出一套完善且有效率之機器人安全防護系統理論。

上述已介紹了本計畫所採用之機器人虛擬邊界理論的優點。我們若可以將一般的傳統機器人防護措施與之結合，則二者相輔相成，將會是一個十分完善而先進的防護系統。這個整合式系統敘述如下：

將壓力墊或是其他較傳統之感應器置於機器人的最大操作區域周邊上。工作人員開始操作後即可啟動感應器。當人員進入此區域時，傳統感應器可傳訊息予聲音或視覺警報器，使人知道有人開始接近機器人。這是最基本的第一層防護。
將超音波或是紅外線等較先進的感應器置於機器人的限制區域周邊上。當人員進入此區域時，此類感應器可傳訊息予監控電腦，監控電腦接到訊息後，立即送出半速運動命令予機器人，使人員至少不會發生太大的傷害。這是第二層的防護措施，然而與第一層防護一樣，都是靜態式的防護方式。
裝置磁感應式追蹤器於人員與機器人上。當人員進入機器人正在操作區域，亦即機器人虛擬邊界內時，追蹤器將傳送訊號予監控電腦，並透過虛擬實境系統軟體計算並即時顯像，以告知監控人員有危險狀況發生。監控電腦同時會下達煞車命令予機器人，停止任何動作。這種方式是主動偵測計算，且為動態式的防護。這是第三層防護。
這種整合式防護措施如下圖所示。