机器人在食品、包装行业的影响力越来越大

普朗基特研究公司(Plunket Research)的数据显示，全球食品行业占全球GDP的近8万亿美元。然而，随着发展中国家生活水平的提高和饮食习惯的改变，劳动力短缺、工人安全以及食源性疾病是一个持续的挑战，给产能和产量带来了压力。

消费者希望有更多的选择，更方便，他们希望他们的食物新鲜、快速、实惠。定制化和可变性达到了前所未有的高度，食品生产商必须跟上趋势，同时努力预测未来。但通常很难知道菜单上有什么。灵活的自动化是关键。

“自动化对食品行业的影响，就像它在70年代对汽车行业的影响一样，”位于马萨诸塞州剑桥市的软驱动自适应抓手技术制造商Soft Robotics公司的首席执行官卡尔·沃斯(Carl Vause)说。“这可能会把这个行业带到一个新的水平。驱动质量，驱动一致性。确保他们能够扩大规模和增长，满足市场需求，在这种情况下，养活世界。”

机器人解决劳工问题

随着人口老龄化和劳动力成本的上升，养活全世界越来越困难。创新的自动化解决方案有助于解决繁琐但必要的工作。

JMP自动化公司的客户经理Keith Allen说:“我们看到客户的心态发生了重大转变，安全是我们大多数客户的首要任务。”“首要任务是让人们脱离不安全的任务。在箱子包装、纸箱装载和码垛等任务中存在重大的人体工程学挑战。”

他举了一个例子，工人们弯着腰在一条快速移动的传送带上装载雪糕。这项工作非常繁重，以至于工人们必须每15分钟轮换一次另一项任务。即便如此，他们还是带着颈部和背部的疼痛离开了。

“这是不可持续的，”艾伦说。“因此，许多食品公司都转向像我们这样的公司，帮助他们解决一些最符合人体工程学的挑战。我们专注于食品和包装消费品(CPG)市场的智能机器人技术。”

在冰淇淋棒的案例中，三个与顾客装箱设备绑在一起的取放机器人是解决方案。

除了工人安全问题，艾伦还指出，劳动力短缺和劳动力老龄化也是挑战。他说，许多千禧一代不认为制造业是一个可行的职业。这在食品加工和包装中典型的快节奏、极端温度环境中尤其如此。

沃斯说，虽然卫生实践总是最重要的，但主要的痛点是分娩。“如果你在不断更换劳动力，或者你没有受过良好训练的员工，也无法获得训练有素的劳动力，那么你就会有卫生问题。作为一个在医疗设备行业工作过的人，我可以告诉你，如果你走进加州的产品包装车间，那里的卫生准备和安全装备水平要高于手术室。”落地时补充道,

“《食品安全现代化法案》(FSMA)也提高了许多包装商和加工者的卫生要求。有两个主要的大趋势，劳动力和FSMA。企业正试图同时解决这两个问题。这是一个自动化可以真正发挥作用的领域。”

机器人食品卫生标准

机器人自动化正在以一种新的标准取得进展。经过五年的制定，基于机器人的自动化系统的3-A卫生标准，编号103-00，于2016年10月13日生效。RBAS标准涉及用于初级食品处理和包装的机器人设备。

“3-A标准是地球上最严格的标准之一，”负责制定该标准的工作组的文件负责人鲍勃·罗谢尔(Bob Rochelle)说。“这些标准与州和联邦对A级乳制品厂食品加工设备的规定相同。”

罗谢尔说，新标准是针对机器人和机器人相关辅助设备的制造商以及这些系统的集成商。它为机器人和辅助机器人设备的设计、材料、制造和安装建立了最低卫生卫生要求，包括机器人底座、臂端工具(EOAT)、工具更换器和机器人敷料。

RBAS标准是与机器人工业协会(RIA)合作开发的，首次将机器人技术和食品加工卫生领域结合在一起。机器人供应商和集成商、食品加工商以及包括美国农业部和美国食品药品监督管理局在内的几个卫生监管机构在其开发过程中共同合作。

“在食品科学的世界里，这绝对是一个开始的时刻，”弗吉尼亚州麦克莱恩市3-A卫生标准公司的标准和认证主管埃里克·施韦策说。“目前还没有工艺设备标准来告知机器人自动化系统制造商如何设计可清洁性和可检查性。“近几十年来，该行业一直在朝着自动化的方向发展。它似乎进展得更快，因为劳动力相对昂贵，机器人已经变得不那么昂贵。机器人不会请病假，不休息也能更高效地工作。”

传统上，机器人技术和食品加工的融合一直存在问题，尤其是在直接接触食品的情况下。

“你要处理的是关节和执行器，以及动态移动的东西，”施韦策说。“这不是一件很容易设计成卫生的机器。你有所有这些裂缝和裂缝，细菌和其他微生物可以藏身。”

根据Schweitzer的定义，产品接触面是指所有暴露于产品的表面，溅出的产品、液体或土壤可能从这些表面排水、掉落、扩散或被吸入产品或与包装材料的产品接触面接触的表面。3-A标准解决了这些情况，并确保自动化系统的建设是可清洁的，可检查的，并符合FDA的A级巴氏奶条例的意图。

RBAS标准是自愿的，但任何想要参与快节奏食品加工行业的机器人供应商或集成商都应该认真考虑。施韦策说，3-A不认可或批准任何设备。该非营利组织制定标准，然后授权其注册商标符号用于经过第三方评估人员检查并符合3-A卫生标准的设备。

纸杯蛋糕、蛋筒和玉米热狗

艾伦说，FSMA(现在是3-A)正在迫使食品行业审视他们的流程以及他们如何设计设备。具有食品行业专业知识的可靠系统集成商随时准备帮助加工商和包装商提高效率和卫生。

艾伦说:“产品从炸锅或冰箱里出来的那一刻，或者已经加工完毕的那一刻，客户就会向JMP寻求帮助和支持。”“我们的优势在于与客户合作设计全线包装集成。我们正在考虑产品质量、流量和激增等问题。这些在为我们的客户设计交钥匙解决方案时尤其重要。我们的系统必须符合FDA和AMI(美国肉类协会)的标准。”

Allen表示，他们生产的95%的系统都是运往美国客户的。他补充说，与供应商合作非常重要，这些供应商的平台与客户工厂的现有系统能够很好地集成，并且易于得到内部维护人员的支持。JMP设计、建造和集成了机器人系统，用于处理一系列有趣的食品，包括冰淇淋甜筒(如图)、布朗尼、玉米热狗、纸杯蛋糕和袋装食品。

艾伦说:“无论是玉米热狗还是蛋卷，还是两口布朗尼或纸杯蛋糕，你可以用各种各样的方式来处理产品。”“归根结底是与终端客户合作，以确保你解决了他们的问题。

“今天绝大多数客户都想知道你是否处理过他们的产品，”他继续说。“通常答案是否定的，因为在食品领域有很多不同的独特产品。无论是新鲜的、冷冻的还是烘焙的食品，大多数系统集成商都不可能处理所有这些不同的产品。但你可以把它与相似的形状和大小以及适用的环境联系起来。”

白天取货，晚上自洁

JMP还开发了一种创新的机器人清洗解决方案，可用于选择性就地清洗。这个正在申请专利的系统不仅使用机器人来清洗输送机和周围的设备，而且还可以互相清洗。

白天，FANUC M-430iA机器人以极快的速度采摘和包装产品。晚上，他们把机器人同事和他们的工作单元冲洗干净，以便为下一班做好准备。

这些并不是唯一能和水玩得很好的机器人。水射流技术已被用于切割各种物品，从泡菜、奶酪，甚至是细芹菜，到金属、石头和玻璃。再加上机器人技术，你就有了锦上添花的东西。

机器人被用于农产品包装

另一项在食品领域广受好评的创新是由哈佛大学怀特塞德斯研究小组开发的基于软机器人技术的独特抓手。沃斯说:“我们的目标是大小、形状和重量各不相同，或者容易损坏的东西。”用于包装的机器人对食品安全和先进技术有很大帮助。

我们拿7美元的苹果开玩笑，沃斯说。但在现实中，水果和蔬菜的生产可能会变得非常困难和昂贵，以满足世界范围内的需求，以至于它们对大众来说变得稀缺和昂贵。擅长初级和二级包装的机器人抓取器可以提供帮助。

“把一颗长叶莴苣放在塑料袋里。我们能够以比传统吸盘更快的速度和可靠性将这些袋装产品进行二次包装。”Vause说。“当你想要移动湿的或有颗粒物质的东西，或者吸盘无法很好地抓取的东西时，我们的技术就能很好地发挥作用。然后，如果你有不同大小的东西，比如同一条包装线上的小、中、大袋装芹菜，我们可以在不更换工具的情况下完成所有这些工作。”

敏感水果的柔软触感

Soft Robotics的抓取器也被用于自动化番茄分拣，这是一个传统的劳动密集型过程。沃斯说:“任何使用西红柿的人都必须定期对它们进行分类，以找到成熟度相同的西红柿运送给他们的客户。”“他们按大小和颜色分类。现在所有这些都是手工完成的。我们已经能够证明，我们可以用机器人系统以可靠的速度处理这些西红柿。”

番茄并不是唯一成熟后需要采摘的敏感食品。软机器人技术正在深入供应链。

沃斯说:“我们现在正在和浆果种植者交谈。“过去两年，由于劳动力短缺，加州20%的草莓作物被留在了地里。有两到三家不同的公司在尝试自动化收割挑战。我们正在与他们合作，研究不同的技术方法。我认为这是一个很好的机会。”

软机器人抓手符合食品安全清洁标准。手指由食品级高分子材料制成，末端执行器中没有机电设备，易于清洗。

烘焙自动化正在兴起

从包装线上的新鲜农产品到该领域的新鲜水果，软机器人正在以多种方式扩展。没过多久，以谷物为基础的食品行业就打来了电话。

沃斯说:“面包店自动化存在巨大的机会。“我们发现它正好符合我们对大小、形状或重量各异、容易损坏的东西的要求。我们继续发现自动化中的这种适应性非常重要，我们可以帮助人们。”

当涉及到生面团处理时，它尤其有用，这是烘焙行业长期以来的自动化挑战。

软面团处理

烘焙自动化行业已经成为软机器人抓手的试验场。ABI LTD是早期采用者之一，它是加拿大安大略省康科德的一家自动化烘焙设备的全球集成商。

ABI有限公司的营销和沟通协调员Aaron Burke说:“我们一直在努力为软面团产品找到良好、可靠的解决方案。”“当你处理柔软的面团制品，特别是经过发酵的面团制品时，必须非常轻柔地处理，否则你可能会在面团上留下印痕，或者让面团瘪掉或使产品变形。”

伯克说，他们刚刚为英国的一家大型披萨公司运送了一个机器人系统，目前正在为他们开发第二个系统，这两个系统都使用了软机器人抓手。作为ABB机器人技术的首选合作伙伴，ABI LTD开发了一个由四个机器人组成的系统，可以直接从圆面饼中取出生披萨面团，并将其放入托盘中。

“在旧的采摘和放置方法中，我们使用针工具或吸盘或某种金属工具。他们都有过失败。”

这款软体机器人夹持器可以用一个工具处理不同大小的面团球。再加上一个灵活的机器人和三维视觉，可以确定面团球的位置和大小，你有一个完整的解决方案，不需要更换工具。

伯克说:“你必须有一种工具，可以像处理50克的面团球一样处理150克的面团球。”“它必须能够可变地打开和关闭，以抓住产品，而不会对产品造成太大压力。

“我们能够设计出一个有五个手指的配置，”他继续说。“手指展开得足够宽，可以绕过最大的面团球的全部尺寸，但当系统识别出它是一个较小的面团球时，它就会挤压得更紧(基于流入夹持器的空气压力)。我们能够找到一种组合，可以用相同的工具处理三到四种不同尺寸的产品。”

机器人水射流切割用于蛋糕

ABI LTD正在为烘焙自动化领域带来其他创新。水射流技术已经在食品工业中应用多年，但现在机器人正在将其提升到一个新的创造力和效率水平。

Katana机器人水射流切割系统将灵活的机器人与纯水射流系统和3d视觉技术结合在一起，用于大批量蛋糕和糕点切割。下面是它的工作原理。

首先，3d激光扫描仪确定蛋糕的存在和位置，然后绘制出产品的排版。软件处理视觉系统收集的数据，以确定机器人参数的预编程切割模式。然后，一个装有喷水喷嘴的机器人利用极窄的水流在极高的压力下按指定的模式切开蛋糕。易于使用的触摸屏界面允许您手动绘制或导入新的设计。

没有两个蛋糕是完全相同的，所以集成视觉系统是非常重要的，特别是当你在蛋糕中嵌套形状时。该系统绘制出这些形状如何在特定产品中组合在一起，以最大限度地减少切割过程中的浪费。

伯克说，该系统可用于新鲜、半冷冻或深度冷冻产品。

他说:“水射流泵在60000 psi的压力下，从一个0.05 mm的小孔中射出，具有强大的切割力。”“但我们发现在半冷冻状态下效果最好。这往往是最佳点因为在这个温度下产品的结构完整程度很高。此外，水果和坚果等含有杂质的产品也没有问题。”

传统的切割方法往往限制蛋糕切片直线切割刀片磨损。凭借六轴机器人的灵活性，用户可以切割直刀片无法实现的圆形图案。伯克说，他们从蛋糕上切下了从海马、心形到枫叶和圣诞树的所有东西。

“从历史上看，要做这种东西，你必须使用某种模切系统，在蛋糕上印上你的形状。使用这样的专用工具，就会出现转换，有潜在的交叉污染。你必须确保它们是干净的，”伯克说。

在食品工业中，机器人水射流切割只使用纯净的过滤水。这使得它既卫生又环保。

伯克说:“蛋糕和糕点是这类系统的主要用途，但它们几乎可以切任何东西。”“我们还集成了水射流切割米花糖方块和能量棒，通常一开始是长片，然后被切成碎片。”

机器人自动化也用于纸杯蛋糕和松饼的拆盘，羊角面包的弯曲和捏捏，以及薄片蛋糕盒的装载。对于世界各地的食品生产商来说，问题不再是是否自动化，而是多快能实现自动化。

Tanya M. Anandan是特约编辑机器人工业协会(RIA)和机器人在线．RIA是一个非营利性行业协会，致力于通过机器人技术和相关自动化提高北美制造业和服务业的区域、国家和全球竞争力。这篇文章最初出现在RIA网站上．RIA是先进自动化协会(A3)．A3是CFE Media的内容合作伙伴。由制作编辑克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．

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