UV 機器人技術：移動式發射源、路徑劑量與量測

UV 機器人技術是指以機器人來導引紫外線輻射源或相關量測設備——可作為安裝於機器人法蘭上的工具、作為移動平台的承載物，或是將工件於固定式輻射源前方進行操作。重要的並非發射源的額定功率，也非程式化的移動速度，而是工件單一表面元素在通過過程中實際接收到的輻射曝露量 H（單位為 J/m²）。此數值僅能透過沿路徑的積分才能得出：距離、入射角與停留時間會在路徑上每一點改變，隨之改變的還有作用點上的瞬時輻照度 E。靜止狀態下量測到的峰值並不能描述此過程。因此，量測任務的重點已從描述輻射源特性轉移為驗證運動軌跡——這正是機器人技術與固定式自動化與製程整合之間的區別所在。

目前並不存在專門針對機器人導引式紫外線製程的可靠市場數據。現有針對消毒機器人——這是劃分最明確的子細分市場——的研究，其十年預測結果彼此差異超過七倍，取決於是否僅計入自主移動系統，或是同時計入照射櫃、機械臂與固定式房間系統。在此提出一個量化的市場數字只會產生虛假的精確性。真正能夠可靠描述的是驅動因素，而這些因素全都指向同一個方向。

機器人正在離開防護圍籠。國際機器人聯合會（International Federation of Robotics）在其 World Robotics 報告中，將協作型機器人列為成長最快的細分領域，重點集中在電子、食品與飲料以及中小型企業。對紫外線技術而言，這不僅僅是產量效應，而是一種質的轉變：一旦防護圍籠消失，開放式紫外線光源便成為光生物暴露的問題——而控制該光源也因此成為安全概念的一部分。

光源的轉換正是使移動式發射器切實可行的關鍵。經修訂的歐盟汞法規（EU Mercury Regulation）已於 2024 年 7 月 30 日起生效，RoHS 對汞的豁免將於 2027 年初到期。對機器人技術而言，轉向紫外線 LED 不僅僅是元件的更換。只要市場上僅有含汞發射器，機器人導引式紫外線技術便僅限於兩種方式：在機械臂上搭載笨重的電弧發射器，或透過導光元件將輻射導出。唯有 LED——具有質量輕、無需暖機即可瞬間啟動、可調光至額定功率的 2% 以下，以及僅透過傳導方式散熱等特性——才能打造出可如夾爪般操作的紫外線工具。

接合部正朝三維方向遷移。微型化電子元件、感測器封裝、輕量化異材質接合以及法蘭上的原位固化墊圈，都有一個共同點：它們並不位於同一平面上。三維構件只能透過移動式發射器才能實現均勻曝露——以固定焦距進行的機器人導引式電弧燈固化，早已成為工業上的成熟應用。當越來越多接合部脫離平面，固定式輸送線的能力也就越來越有限。

消毒機器人正在衛生規範與人員短缺同時出現的場域中整合發展——包括醫院、交通樞紐與藥品生產。在疫情驅動的成長高峰過後，這種方法在需要輻射曝露量證明之處仍持續存在。正是這種證明要求，使其在量測方面比任何固化應用都更為嚴苛。

由此可推知未來數年的發展方向。首先，劑量控制將取代以時間與運行時數為基礎的控制方式，因為現代紫外線光源的輸出衰減已無法以其他方式管理。其次，路徑規劃將趨向輻射計量化：一旦距離與入射角主導了劑量，可達性與避免碰撞便不再足以作為設計準則。第三，具安全等級的光源切換將成為協作作業中的標準要求。第四，可追溯的路徑驗證將成為機器驗收的一部分——正如飲用水消毒領域長期以來對參考輻射計與校正公差所做的規範。國際機器人聯合會列為機器人趨勢之一的自適應、人工智慧輔助路徑，更加強化了這項要求：一條在運行時會改變的路徑，已無法一次性完成量測——它需要一個與之同步運作的劑量模型，以及能支援該模型的量測方式。

光化學過程本身與固定式照射並無不同：光起始劑、染料或細胞吸收光子，從而引發反應。唯一改變的是這些光子到達作用點的方式。

在固定式照射中，作用點的輻照度 E 在曝露時間內幾乎恆定，輻射曝露量則可簡單表示為乘積 H = E · t。而在機器人導引式照射中，移動中的光點僅在其經過的短暫時間內作用於每個表面元素。因此，位於位置 x 的表面元素之輻射曝露量，是該元素位於光點範圍內時間的路徑積分。這裡的關鍵時間並非機器人程式的循環時間，而是光點在該表面元素上的停留時間，此時間與工具中心點的路徑速度成反比。

此外，在六軸運動沿曲面移動的過程中，還有兩個量會持續變化：發射器與表面之間的距離，以及輻射照射到表面的角度。這兩者都直接影響瞬時輻照度。因此，路徑不僅是一個幾何量，更是一個輻射度量。

感測器端——含濾光片堆疊之矽光二極體、SiC、AlGaN 以及光譜輻射計——已於自動化與流程整合頁面詳細比較；該頁所述之選型準則同樣適用，未有變更。機器人技術新增一項該頁未涉及的要求：量測系統之時間解析度須與路徑速度相匹配。

必須區分四個量，而在實務上它們經常被混淆。

輻照度 E，單位 W/m²，描述當前照射於表面元素上的輻射功率。這是一個瞬時量，在機器人應用中沿路徑會有變化。換算方式：10 W/m² 相當於 1 mW/cm²。

輻射曝露量 H，單位 J/m²，是輻照度對時間的積分，因此才是實際的製程變數。在消毒應用中稱為熒通量（fluence）。它是唯一可與釋放限值進行比較的量。

停留時間，單位 s，是每個表面元素的停留時間，將前述兩者連結起來。它取決於光點在行進方向上的範圍，以及刀具中心點（TCP）的路徑速度——而非取決於循環時間。

相鄰路徑之間的重疊率，以百分比表示，決定了整個表面曝露的均勻程度。它決定了一個區域是否被均勻處理，且與峰值輻照度無關。

就設計而言，工作距離、相對於表面法線的入射角，以及對於脈衝式 LED 光源而言的驅動方式，也都是相關的考量因素。

最常見的錯誤結論，是將程式設定的移動速度等同於元件上實際的照射時間。機器人只有在路徑的穩定段才能達到程式設定的 300 mm/s。在加速與煞車期間、路徑轉角處進行平滑處理時，以及軸向改變時，實際速度都會較低──而劑量則相對較高。正因如此，過度固化、泛黃或熱損傷會出現在轉折點，而直線段卻供應不足。

第二個錯誤結論，是將靜止狀態下的單點量測視為移動路徑的證明。它只能得出某一位置的輻照度峰值，對於沿軌跡的積分值則毫無說明。

第三個錯誤結論，是將燈管的電力功率等同於作用點的光學劑量。籠統的製造商規格無法取代實際量測。已有文獻證實，個別紫外線 C LED 型號在大約前 100 h 的操作時間內，會下降至初始值的 50 至 70 %，且 R70 壽命依型號不同介於 1,000 h 至超過 10,000 h 之間。若電池是依操作時間而非依劑量來運作，將會在此期間內偏離規格。相關基礎知識請參閱 紫外線燈與紫外線 LED 的老化。

第四個錯誤結論，是忽略曲面元件上的入射角。當入射角相對於表面法線為 60° 時，在相同距離下，有效輻照度僅剩正向入射時的 50 %。

第五個誤差，在於量測系統的取樣率過低。以 128 samples/s 取樣的記錄器，無法解析僅數毫秒的通過時間，因而低估峰值。

最後，容易被低估的是，插入的感測器本身會干擾製程。在 13 mm 的距離下，已記錄到能量損失達 4.83 %，峰值輻照度下降 13.85 %。安裝於法蘭上的感測器，也不一定能看到與元件相同的幾何條件：其相對於光斑的位置不同，相對於表面法線的方向也不同。

這三個量以相乘的方式作用，且部分彼此相互抵消，因此路徑規劃上的誤差無法透過提高功率來補償。

對於遠場中足夠小的光源，距離依照平方反比定律作用：將工作距離加倍會使輻照度降至四分之一。此近似值不適用於大面積發射器或聚焦光學元件；在這些情況下，分佈必須透過量測或 光學模擬 來確定。實務上這意味著：若路徑經過一處凸起，使距離從 20 mm 增加到 40 mm，該處的輻照度會損失四分之三，而光源本身並無任何變化。

入射角則依照餘弦定律作用。在機器人導引製程中，這是最常被忽略的因素，因為路徑通常是為避免碰撞與可達性而優化，而非為與表面法線對齊而優化。

路徑速度透過停留時間對劑量產生線性作用。速度減半會使輻射曝露量加倍——但效果未必會加倍，因為互易律僅在有限範圍內成立。

規範波段、感測器波段、製造商波段

在評估量測值時，必須區分三種「波段」的概念。它們在數據表中看起來相同，但意義不同。

規範波段是標準化的波段界限。此處存在互相競爭的定義：CIE 將 UV-A 定義為 315 至 400 nm，而 ISO 20473 則將其定義為 315 至 380 nm。因此，使用 385 nm LED 的製程，究竟是位於 UV-A 波段之內或之外，取決於引用哪一項標準。

感測器波段是所使用量測頭實際校正過的光譜響應度 S(λ)。感測器電流的計算方式為 i = ∫ E(λ) · S(λ) dλ。因此，每一個量測值僅在與其校正時所使用的感測器波段及光源相關聯的情況下才有效。若將同一感測器用於不同光源，會產生光譜不匹配。由此產生的偏差已有 9 至 91% 的記錄，其中包括在 385 nm 處低估 65% 的情況。相關背景說明於 紫外線感測器的光譜不匹配 中。量測頭如何得出其讀數，則說明於 紫外線感測器如何運作 中。

製造商波段是數據表上的條目，例如「UV-A 320–390 nm」。這是一種描述，而非校正。若兩個感測器在波段內的響應度曲線不同，即使其波段規格相同，在同一顆 LED 上也可能產生不同的量測值。

對於機器人應用而言，可行的原則是：移動式記錄器與固定式監測感測器必須依照相同的光譜解析參考進行調整，否則路徑驗證與持續監測之間將無法互相關聯。

假設條件：位於刀具中心點的紫外線 LED 光點，在工作距離、正向入射角度下，產生的輻照度為 E₀ = 3 W/cm²。光點沿移動方向的範圍為 b = 10 mm，路徑速度 v = 300 mm/s。在此考量的區段中，表面為平面且垂直照射。

將輻照度換算：3 W/cm² = 30,000 W/m²。輻照度、劑量與光子通量之間的換算，由 UV Tools 處理。

通過時間：t_d = 10 mm / 300 mm/s = 0.0333 s。

輻射曝露量：H = 30,000 W/m² · 0.0333 s = 1,000 J/m² = 100 mJ/cm²。

在同一路徑上的彎曲區段，輻射以 θ = 60° 的角度入射。在該處，H = 1,000 J/m² · cos 60° = 500 J/m² = 50 mJ/cm²——僅為一半，而光源或速度並未有任何改變。若距離再從 20 mm 增加至 30 mm，則會加上係數 (20/30)² = 0.44：剩餘 220 J/m²，即平面區段劑量的 22 %。

就量測而言，這表示在 t_d = 33.3 ms 的情況下，取樣率為 128 samples/s 的記錄器約可提供四個取樣點。這足以粗略積分劑量，但不足以捕捉峰值輻照度或前緣的形狀。

在此情況下，僅以峰值輻照度乘以週期時間的簡單方式，會導致完全錯誤的設計：它會使劑量被高估達數個數量級，同時卻掩蓋了元件表面某一區域僅接受到基準區段五分之一劑量的事實。

黏接與密封。機器人分配黏著劑或密封劑，並直接在施用點進行固化——即以紫外線 LED 光點於凸緣上進行點膠固化（point-of-dispense curing）。在原位成型墊圈（cure-in-place gaskets）方面，液態密封材料以手動或機器人方式塗覆於凸緣接合面，然後進行照射。在量測上，接合處的陰影區域以及面向製程氣體表面的氧氣抑制作用是關鍵所在，這會使該處的交聯程度低於本體材料。詳細內容請參閱紫外線黏接、灌封與封裝。

塗裝與塗層。三維元件只能藉由移動式發射器進行均勻照射。機器人導引乾燥及以恆定焦距、600 mm/s 速度運作的電弧燈已在工業上確立應用。此恆定焦距並非便利性功能，而是使平方反比律不致成為誤差來源的必要條件。

電子與光學。協作型機器人輔助之封裝、板上晶片灌封（chip-on-board potting）及纖維纏繞作業，皆涉及微小接合處與極高輻照度。此處再現性至關重要，因為已封裝元件事後已無法再進行檢驗。

積層製造。配備紫外線固化末端執行器的機器人手臂，將 3D 列印擴展至非平面路徑、原位後固化及大型元件之修復。文獻中記載了一種用於以協作型機器人系統列印紫外線可固化形狀記憶聚合物之末端執行器。更多資料請見積層製造與 3D 列印。

消毒機器人技術。移動式 UV-C 機器人於醫院、運輸樞紐及製藥生產場所執行房間的終端消毒；操作機則處理三維表面與器械。此處的量測任務尤為明確，因為每一表面單元的輻射曝露量須對照限值加以證明，而陰影結構性地導致劑量不足。基本原理請參閱紫外線消毒。

檢測。機器人上的紫外線螢光用於檢查膠條與密封劑痕跡、偵測裂縫及驗證塗層缺口。機器視覺中可重現灰階值的前提，是激發輻照度必須維持恆定：若激發強度飄移，判定閾值也會隨之飄移，檢測結果便會產生偏移，即使元件本身並無任何變化。更多內容請見螢光檢測與工業檢驗。

表面預處理。機器人導引之UVC／臭氧活化在黏接前作業，運用 185 nm 及 254 nm 兩條光譜線。工作距離與臭氧管理決定最終結果。

陰影效應。凹槲、孔洞與角焊縫在結構上會接收到較少的劑量。單純提高功率這種直覺反應並無幫助，因為被遮蔽的區域在幾何上根本無法照射到——這樣做只會使已曝露的區域過度固化。真正有效的做法是多面照射、重新夾持工件，或以改變方向的方式進行第二次照射，以及能同時從多個方向照射的模組化訂製解決方案。始終存在的問題是：實際到達焊縫處的劑量究竟是多少——而這唯有透過置於該幾何位置的感測器才能得知，無法僅憑自由表面上的計算得出答案。

無防護罩下的協作機器人操作。一旦拆除防護罩，評估重點便從機械安全轉為光生物暴露評估。除了 2025 年版的 EN ISO 10218-1/-2，以及適用於協作操作的 ISO/TS 15066 之外，還須依 EN/IEC 62471 及 IEC/TR 62471-2 進行風險群組分類，並依 Directive 2006/25/EC，以及德國 OStrV 與 TROS IOS 之規範進行工作場所暴露評估。實務上，這意味著紫外線光源必須具備安全等級關斷能力。因此，一套符合 EN ISO 13849-1 效能等級 e（第 4 類）以及 IEC 61508 之 SIL 3 的控制單元，並非附加配件，而是產線安全概念的一部分。至於 UV-C，IEC TR 63381 則提供了補充指引。延伸閱讀：職業安全與光生物安全。

改裝。在現有產線中，安裝空間是固定的。此時，透過光導管將光源與作用點分離便顯得格外有用，因為只有光導管會移動，機殼則保持在移動軸線之外。若需持續監測，適合採用外形低矮且介面已為控制器所支援的感測器——類比式提供 0 至 10 V 或 4 至 20 mA，數位式透過 RS-232、RS-485 或 USB，網路連接則可透過 PoE 及 Modbus TCP/IP。值得注意的是，插入的感測器會改變製程；文獻記載在 13 mm 距離處會產生 4.83% 的能量損失，在其定位時必須將此納入考量。

此測量任務可分為三個階段，各需要不同的儀器。

參考特性描述，光譜型。一切均始於對光源進行光譜解析測量，因為若無光譜，就無法對寬頻感測器的光譜不匹配做出任何說明。像 SR900 這類涵蓋 200–1100 nm 的光譜輻射計可記錄曲線 E(λ)，並可依 CIE 220:2016 進行不匹配校正。製程感測器即以此為基礎進行調整。若要評估空間分布及路徑重疊情況，則適合使用如 UVpad 或 UVpad E 這類低外形光譜輻射計。

路徑驗證，隨工件移動。沿軌跡的劑量以隨行記錄器記錄。curelog 與 curelog Base 提供沿路徑之高解析度劑量量測；tinyTracker 體積小巧，可安裝於狹窄的夾具與夾爪中。若需在作用點直接量測極高輻照度，則有 UV curing sensors XT，提供剛性握把的 XTR 型與具彈性光導管的 XTF 型可供選擇。決定性的選擇標準在於取樣率相對於路徑速度的關係。

持續監控與控制。在生產單元中，具低外形之 inline sensors、透過 PoE 與 Modbus TCP/IP 之 PLC.net、透過 RS-232、RS-485 或 USB 之 PLC.D，以及具 0–10 V 或 4–20 mA 輸出之類比 PLC 感測器，皆可持續監控運行狀態。 

而在這一切之上，計量溯源性最為重要。校正不確定度通常為 4.5 至 6.0 %（k = 2）；在溫熱的生產單元中，必須考量 −0.8 %/K 至 +0.4 %/K 的溫度係數。相關基礎知識與證明文件請參見 校正實驗室、輻射度量單位、紫外線量測儀之校正週期 以及 紫外線量測系統之能力評估。相關規範彙整於 紫外線相關指引、標準與規範 之下；至於機台整合，IO-Link 與 OPC UA 為常見的整合方式。

ASME IMECE 2009，〈Control of a Robotic UV Curing Process With Thermal Vision Feedback Through Two IR Cameras〉。該研究以兩部紅外線攝影機為機器人紫外線固化製程建立閉迴路控制。對實務而言最重要的發現並不在於控制本身：目標表面上的輻照度分布對相對幾何配置的敏感度，高於對光源輻射強度的敏感度。因此，若企圖以更高功率來彌補不利的路徑，等於是在與主導效應對抗。

arXiv 2507.11270，〈Development of an Autonomous Mobile Robotic System for Efficient and Precise Disinfection〉。作者透過 OctoMap 與末端效應器姿態將表面重建為 3D 點雲，並據以進行路徑規劃與劑量估算。驗證作業在 20、30 與 40 cm 處以量測儀器進行；量測值與模型之間的最大偏差落在所使用 UV-C 感測器的 10 % 量測容差之內。其數量級值得注意：模型不確定度落在量測不確定度本身的範圍內——這使得量測仍然是基準點。

IEEE，文件 9335055，〈UV-C Mobile Robots with Optimized Path Planning〉。以演算法設計與現場量測來改善表面消毒。該研究顯示，若無隨行的現場量測，路徑最佳化並不可靠。

JPMDP，Robotics and Autonomous Systems。針對以 UV-C 機器人系統進行 3D 表面消毒，對基座位置配置與多組態路徑規劃進行聯合最佳化。對實務的意義：機器人從何處作業，本身就是一項輻射度量上的決策。

arXiv 2104.10739，〈Surface Disinfection using Ultraviolet Light with a Mobile Manipulation Robot〉。為避免碰撞，路徑維持約 30 cm 的固定距離；紫外線劑量計則記錄實際接收到的劑量。此處的固定距離同時達成兩項目的——安全性與輻射度量上的明確定義。

arXiv 2108.10810。以協作機器人系統 3D 列印紫外線可固化形狀記憶聚合物之末端效應器的設計與整合。

其他使用 Opsytec 量測設備的研究成果，彙整於客戶發表文獻。

為什麼靜止狀態下的單點量測不足以評估移動中的機器人路徑？

單點量測所得到的是工具靜止不動時，某一位置上的輻照度。然而，製程變數其實是表面元素在通過過程中所接收到的輻射曝露量（單位為 J/m²）。這是沿路徑積分而得的結果，其中距離、入射角與停留時間會持續變化。因此，唯有沿實際軌跡進行的移動式劑量量測才是可靠的。

劑量與路徑速度之間有何關係？

表面元素在光斑內的停留時間與路徑速度成反比，因此劑量與速度倒數呈線性關係。速度減半，輻射曝露量即加倍。但此效果不必然完全加倍，因為交互律僅在特定範圍內成立。此外須注意，在加速與減速階段並不會達到程式設定的速度。

405 nm 仍屬於紫外線範圍嗎？

這取決於所採用的定義。CIE 將 UV-A 範圍界定為 315 至 400 nm，而 ISO 20473 則界定為 315 至 380 nm。依此兩種定義，405 nm 皆落於 UV-A 波段之外，屬於可見光範圍，然而固化技術仍將其視為紫外線波長。就量測而言，重要的並非名稱，而是感測器的波段是否涵蓋所校正的波長。

在機器人上何時使用寬頻感測器即已足夠？

若光源與光譜維持不變，且該感測器已針對該光源以具光譜解析能力的參考儀器進行過校正，則寬頻感測器即足以用於日常監控。但若光源改變、LED 波長變更後，或需要絕對數值時，則不足以使用：光譜失配會造成 9 至 91 % 的已記載偏差。

移動式記錄器需要多高的取樣率？

通過時間可由光斑範圍除以路徑速度求得。以 10 mm 光斑與 300 mm/s 為例，通過時間為 33 ms。要求出劑量，只需少數幾個取樣點即可；但若要掌握峰值輻照度與邊緣形狀，至少應取得十個取樣點。以 128 samples/s 的系統而言，在此範例中僅能取得約四個取樣點。

使用開放式紫外線光源的協作型機器人（cobot）是否需要防護外罩？

不一定，但評估方式會有所不同：若無防護外罩，除 EN ISO 10218 與 ISO/TS 15066 外，尚須依 EN/IEC 62471 進行光生物暴露評估，並適用 Directive 2006/25/EC 及 OStrV、TROS IOS 之規定。此時紫外線光源必須具備安全等級關機能力——一套可達 Performance Level e（Category 4）與 SIL 3 的控制單元，屬於安全概念之一部分，而非附加配件。

如何驗證用於紫外線消毒的機器人路徑？

應以每個表面元素所接收的輻射通量（fluence）為依據，而非以移動時間為準。實務上有效的作法，是將劑量計佈設於具代表性位置以及不利位置——尤其是陰影區域——並搭配以光譜方式確認過的光源特性描述。已發表之研究顯示，模型化劑量與 UV-C 感測器 10 % 的量測容許誤差相符；量測結果始終為參考基準。

為什麼紫外線量測系統必須具備可追溯之校正？

因為若無計量溯源性，便無法進行任何比較——無論是同一產線的驗收與再確認之間，或是兩個廠址之間皆然。校正不確定度通常為 4.5 至 6.0 %（k = 2），並決定了可主張數值的極限。感測器漂移以及 −0.8 %/K 至 +0.4 %/K 的溫度係數，皆使得額外設定校正週期成為必要。

在自動化製造單元中，紫外線製程如何受到監控？

單元內的量測在兩個位置進行。固定安裝的感測器負責監控光源之漂移與故障；隨動移動的記錄器則記錄實際施加於移動中工件上的劑量。原因在於幾何條件：沿路徑之距離、入射角與停留時間會持續變化。以 600 mm/s 速度、焦距保持不變的機器人導引式輻射照射，已是業界成熟做法。

• 自動化與製程整合 – 相同任務的固定端：內嵌感測器、PLC 連接、PWM 量測，以及輸送帶與連續生產線上的改裝。
• 紫外線黏接、灌封與封裝 – 機器人導引固化的黏著劑與灌封面，涉及氧氣抑制作用與接合幾何形狀。
• 紫外線消毒 – 輻射曝露量、對數減少率與驗證方法，所有消毒機器人技術皆以此為基礎。
• 職業安全與光生物安全性 – 風險群組、暴露限值，以及協作作業中開放式光源的評估。
• 螢光檢測與工業檢驗 – 機器人上紫外線視覺的激發面，以及檢驗閾值的穩定性。
• 積層製造與 3D 列印 – 非平面路徑、每層劑量，以及大型元件的後固化。

完整概觀請參閱紫外線應用總覽。

不確定沿著貴公司機器人路徑的劑量是否確實達到每個位置——還是法蘭處的量測值僅能代表該元件本身？本公司將與您一起檢視路徑驗證、感測器選擇與劑量控制，如有疑問將進行實際量測。與我們聯繫。

Dr Mark Paravia
總經理兼校正實驗室主管
Opsytec Dr. Gröbel GmbH, Ettlingen, Germany
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