机器人帮助养活世界

这对世界粮食生产商来说事关重大。普朗基特研究公司(Plunket Research)的数据显示，全球食品行业价值近8万亿美元，约占全球GDP的10%。然而，劳动力短缺、工人安全以及食源性疾病威胁着这些行业。发展中国家生活水平的提高和饮食习惯的改变给产能和吞吐量带来了压力。

消费者想要更多的选择，更多的便利，他们想要新鲜，快速，实惠。从个人零食包和即食派对托盘，到忙碌人群的健康选择和快餐，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，”卡尔·沃斯说，他是软机器人公司的首席执行官，该公司位于马萨诸塞州剑桥市，是一家软驱动自适应抓手技术的制造商。“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。”

机器人解决劳动力问题
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。

“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，”JMP自动化公司的客户经理Keith Allen说RIA认证机器人集成商在加拿大安大略省的伦敦。“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。我们专注于食品和消费品包装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，如果你走进加州的一个产品包装车间，那里的卫生准备和安全装备水平比手术室更高。

“食品安全现代化法案也提高了许多包装商和加工者的卫生要求，”沃斯继续说道。“有两大主要趋势，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。”

《机器人食品卫生新标准》
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。要了解更多信息，请查看这个新闻公告。

“3-A标准是地球上最严格的标准之一，”负责撰写该标准的工作组的文档负责人鲍勃·罗谢尔(Bob Rochelle)说，他是在食品加工应用中实施基于机器人的自动化的行业先驱。“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，新标准是为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制定的。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。

由于他在工作组中的志愿工作，Rochelle被授予了2016年下一代奖，该奖项旨在表彰那些从事3-A标准开发活动少于五年并对标准开发过程做出重大贡献的个人。他目前是Güdel Inc.的东南地区销售经理，该公司是密歇根州安阿伯市的机器人龙门架制造商，并将继续在3-A委员会任职。

RBAS标准是与机器人工业协会合作开发的，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，”Eric Schweitzer说3-A卫生标准公司他住在弗吉尼亚州的麦克莱恩。“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。(直到现在。)

施韦策说:“近几十年来，汽车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，机器人也变得不那么昂贵了。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。

Schweitzer说:“你要处理的是关节和执行器，以及动态移动的东西。“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
JMP的客户经理表示，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，他们建造的系统有95%都是运往美国的客户。除了RIA认证外，JMP还是经授权的FANUC集成商罗克韦尔自动化解决方案的首要合作伙伴．Allen表示，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。这个视频展示了各种机器人食品处理应用．

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。

“如今绝大多数客户都想知道你是否处理过他们的产品，”他继续说道。“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。”

白天挑选产品，晚上自我清洁
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。观看JMP的机器人冲洗室的行动．

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。这样既聪明又卫生。

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泡菜、奶酪甚至绳的芹菜金属、石头和玻璃。再加上机器人技术，你就有了锦上添花的东西。稍后再详细介绍。

软体机器人遇上产品包装
另一项在食品领域广受好评的创新是由哈佛大学怀特赛德斯研究小组开发的一种基于软机器人技术的独特抓手。看看软体机器人自适应夹持器是如何工作的．

“我们的口号是大小、形状和重量不同，或者容易损坏的东西，”Soft Robotics首席执行官卡尔·沃斯(Carl Vause)说。

已经在工业包装、电子商务和物流领域获得了粉丝的Soft Robotics正在演示其自适应抓手自动化2015年4月，一名观众问他们能不能用食物做点什么。

沃斯说:“在任何方面和形式上，自动化都是一个分水岭。”他指出，展台参观者提到了一个名为United fresh的新鲜农产品贸易展，该展会可能具有一定的潜力。“那是在2015年6月，所以我们迅速建立了一个农产品演示系统，将其运送到联合生鲜公司，并在展厅现场展示了一个处理草莓和西红柿的机器人。”

就在那时，软体机器人公司遇到了加州萨利纳斯的泰勒农场，这是北美最大的蔬菜生产商之一。种子种下了，伙伴关系也随之发展。泰勒农场是由首席执行官布鲁斯·泰勒掌舵的第三代家族企业，现在既是客户，也是通过其投资部门Taylor Ventures投资了Soft Robotics．

沃斯说:“布鲁斯·泰勒被视为这个行业的巨大创新者。“多年来，他一直是中央谷的领导者，一直致力于推动新鲜农产品行业的发展。他非常关心劳工问题和安全问题。他认为农产品行业需要开始寻求先进的技术。”

沃斯说，我们会拿7美元的苹果开玩笑。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。

泰勒农场制作了这个视频6月的福布斯农业科技峰会上，软机器人抓手恰当地处理各种包装产品。再加上视觉引导机器人，如视频中显示的ABB机器人IRB 360 FlexPicker, Soft Robotics抓手既擅长初级包装(直接或偶然接触食物)，也擅长二次包装。

“例如，用塑料袋装一颗长叶莴苣。我们能够以比传统吸盘更高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。

他补充说:“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。”

柔软的触摸敏感水果
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。

我们现在正在和浆果种植者交谈，”沃斯说。“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。所以有两三个不同的公司试图将收获自动化．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。”

据沃斯介绍，这款软体机器人抓手由美国食品药品监督管理局(FDA)批准的所有材料制成，因此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。

面包店自动化
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。”

他们确实提供了帮助，尤其是在生面团处理方面，这是烘焙行业长期以来面临的自动化挑战。看看这个视频软机器人遇到软面团．

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。当你处理软面团产品时，特别是经过发酵的面团产品(允许面团膨胀)，必须非常温柔地处理它们，否则你可能会在面团上留下印痕，或者你可能会使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3D视觉，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。

伯克解释说:“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。

他继续说道:“我们能够想出一个有五个手指的配置。“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。

武士刀机器人喷水切割系统结合了一个灵活的机器人与一个纯水射流系统以及用于大批量蛋糕和糕点切割的3D视觉技术。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。

观看武士刀机器人喷水切蛋糕系统的行动。在这种情况下，使用水射流的机械手是ABB IRB 140六轴机器人。

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、半冷冻或深度冷冻的产品。

他说:“水射流泵在60000 psi的压力下，从一个0.05毫米的小孔中射出，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。”

正如视频中所示，传统的切割方法通常限制蛋糕的切割，使用磨损的刀片进行直线切割。凭借六轴机器人的灵活性，您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。”

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。”

ABI LTD公司正在使用视觉引导机器人来装饰蛋糕，并对面包和椒盐卷饼进行3D超声波评分。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。看看这些面包店机器人在工作．

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。

本文介绍的RIA成员:
Gudel公司。
JMP自动化公司
软体机器人公司