食品產業智慧型自動化的概念 - 以機器人的引進為例

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1 食品產業智慧型自動化的概念 - 以機器人的引進為例
李允中 國立台灣大學 生物產業機電工程學系

2 綱要 工業機械人概況 食品產業機器人與生產線自動化 包裝線 加工線 智慧型機器人帶來的願景

3 機器人應用於 食品加工生產線

4 機器人 像人的機器可以進行複雜的動作， 例如：說話、行走; 可以重複進行複雜動作的機械。 自動控制的機構。 Merriam-Webster
像人的機器可以進行複雜的動作， 例如：說話、行走; 可以重複進行複雜動作的機械。 自動控制的機構。 Merriam-Webster 任何自動化作業機械， 不一定要具有人的形態， 或進行像人的動作， 但是能取代人的作為。 Encyclopedia Britannica 工業機器人是一部自動控制、可再程式、多功 能、具有可程式化控制的三軸向以上的機器； 在工業自動化中，可以是固定或在移動中使用。 ISO 8373

5 工業機器人的使用 負擔得起 價格昂貴 汽車工業 食品、醫藥等各種產業 多樣化產品 大型資本集中產業 中小型產業 市場週期短的產品 更有彈性
更有智慧

6 工業機器人的進化 傳統工業機器人 Articulated robot Cartesian coordinate robot 關節型機器人
Articulated robot 關節型機器人 Cartesian coordinate robot 直角坐標機器人 SCARA Selective Compliant Assembly Robot Arm 水平關節機器人

7 工業機器人的進化 性能的改良 皮帶系統 高度維護需求 位置精準性高 精度提高 維護週期增長 齒輪系統 降低維護需求 更提高位置精準性

8 工業機器人的進化 性能的改良 運動速度 運動精度 產品生命週期與維護間期 重複性： 0.005mm 速度: 20m/s
加速度: 產品生命週期與維護間期 維護間期> 5,000 使用時數 生命週期> 200,000 ~1,000,000 使用週期

9 工業機器人的進化 並聯機器人 Delta robot

10 工業機器人的進化 多餘裕度機械臂(Redundant Manipulator)提供更高的運動 自由以及更小的佔地面積
適合既有生產線物料轉移之用

11 工業機器人的智慧化 Force controlled robot with multiple tools:
CCD USB camera (uEye) 視覺 force-torque sensor (JR3), 觸覺 robotic hand with flexible gripper (Barrett), 順服性 tool-changer (ATI). 多工化

12 工業機器人的智慧化 視覺伺服控制 立體視覺 視覺追蹤 影像識別 Imou et al. 2006

13 工業機器人的智慧化 順從化 順從夾持爪 終端對位順從器

14 工業機器人的智慧化 合群化 多機器人協調與合作 超越單獨機器人的工作 高複雜度工作 提高效率 與其他網路資訊同步

15 工業機器人的智慧化 人性化工作方式 與工作站式工作 (workcell type)的整合 焊接工作站 組裝工作站 包裝工作站

16 工業機器人的智慧化 機器人與工廠 的整合 水平整合 垂直整合 與管理系統整合 生產計劃 製造程序 品質監測

17 機器人應用於 食品包裝生產線

18 食品產業機器人 食品產業=傳統產業 食品產業=人性產業 食品生產線 = 加工線 + 包裝線 食品產業沒有革命性 發明
但是機器人卻悄悄的 從食品工廠的後門走 入生產線

19 食品產業機器人 從食品工廠後門進入的機 器人 工作挑戰:粗重
雖然食品工業是古老而保守 的行業，但和其他產業一樣， 在1970年代機器人出現於食 品包裝線。 機器人取代粗重的堆棧工作， 將完成外包裝的產品堆積在 棧板上，形成集合包裝。 工作挑戰:粗重 Wilson,2010

20 食品產業機器人 機器人在食品包裝線前進， 由集合包裝進行到外包裝工 作。 工作挑戰:形狀、數量、位置 準確性 裝箱作業 裝盒作業

21 食品產業機器人 專業自動化機械特點 特定設計處理特定產品 Robot vs. Fixed Automation 機器人與專業機自動化
變更彈性小 零件種類多 佔地大生產線長 Robot vs. Fixed Automation 機器人與專業機自動化 摺紙盒機 機械人摺紙盒機的構想(Yao et al. 2010)

22 食品產業機器人 機械人的使用，方便建立模 組化設計的包裝系統。
德國gerhard-schubert公司 藉由自己的機械人為組件， 建立食品包裝系統。 該公司從1981年就開始使用 機械人機構設計於包裝機械 上，多年來也由機構的模組 發展到視覺機器人的運用。

23 食品產業機器人 機器人在食品包裝線 繼續前進，工作由外 包裝進行到內包裝。 工作挑戰:取料位置、 物料性質、形狀、數 量、位置準確性
Pick and Pack Pick and Place 工作挑戰:取料位置、 物料性質、形狀、數 量、位置準確性 Fanuc M-430iA Wilson,2010

24 食品產業機器人 Muffin 的裝盒

25 食品產業機器人 Picking Sausage

26 食品產業機器人 Packing Sausage

27 食品產業機器人 智慧型機器人帶給食品包裝線自動化的 願景 縮短的自動化生產線 彈性自動化生產系統 多樣少量客製化生產的可能

28 食品產業機器人 機器人已經走到在食品包裝線的盡頭。 他會再往加工線前進? 他會取代生產線上的所有作業員?

29 食品產業機器人 物料轉移工作的機器人。 機器人已經走入食品加工線， 但是還是只能做粗活，因為 缺乏足夠的智慧。

30 從農業自動化看機器人的應用 機器人應用於 食品加工生產線

31 從農業自動化看機器人的應用 蔓越莓(Cranberry)在美國年 產量約為十萬公噸 雖然是季節性水果 收穫加工都已經自動化
蔓越莓(Cranberry)在美國年 產量約為十萬公噸 雖然是季節性水果 收穫加工都已經自動化 自動化過程從沒嘗試用機器人

32 從農業自動化看機器人的應用 蔓越莓的光選別 蔓越莓的影像選別 蔓越莓的彈性選別 http://www.bestsorting.com/

33 從農業自動化看機器人的應用 使用機器人擠牛乳是最早成功的例子之一 在1996年已經有45套機器人擠乳設備 Bogue 2009
使用機器人擠牛乳是最早成功的例子之一 在1996年已經有45套機器人擠乳設備

34 從農業自動化看機器人的應用 自動擠乳設備 擠乳室 影像乳頭定位 機械手臂清潔乳頭 機械手臂裝置擠乳杯 真空吸乳 脫離乳杯
Rossing and Hogewerf 1997

35 從農業自動化看機器人的應用 何以蔓越莓收穫與加工不用機器人? 何以擠乳工作可以用機器人?
農業自動化程度通常比食品業低，為何機器人使 用反而比較早?

36 食品加工生產線自動化 機器人應用於 食品加工生產線

37 機器人應用於豬屠宰作業 機器人成功的用於豬的屠宰作業 機器人可以減少屠宰感染 機器人的作業主要取代人工繁重 的工作
Meat and Livestock Division, Craig Mostyn Group, Au. 2011

38 機器人應用於豬屠宰作業 (Kusuda 2010) 前川製作所全套的豬屠宰機器人 系統包括目前屠宰作業所需的量測 與判別

39 調理自動化與機器人 還沒有食品工廠用的調 理機器人 調理機器人一直是餐飲 業的興趣 (Kusuda 2010) Bogue 2009

40 調理自動化與機器人 調理機械化的歷程 大型炒煮釜 擴大處理量以符合 產業需要 熱傳遞限制不能產 生與小量調理相同 的品質

41 調理自動化與機器人 調理機械化的歷程 連續調理機 蒸氣處理替代炒煮過程 品質接近小量調理 (358017, 1999)

42 調理自動化與機器人 沒有機器人的樣子 應用機器人的機構

43 調理自動化與機器人 連續調理機與調理 機器人的比較 處理方法 處理量 處理彈性

44 智慧型機器人帶來的願景

45 智慧型機器人帶來的願景 機器人的美德 吃苦耐勞 清潔衛生

46 智慧型機器人帶來的願景 機器人可能優於人類 看人所不看 拿人所不能拿 想人所不能想 學人所不能學

47 看人所不看 收穫機器人都具有3D影像判別的 能力 人的視覺看得到的缺陷都可以經 過影像處理來做為機器人的判斷
Noordam et al. 2000 收穫機器人都具有3D影像判別的 能力 人的視覺看得到的缺陷都可以經 過影像處理來做為機器人的判斷 可見光譜以外的影像UV,IR,NIR, X-ray多光譜技術都可能成為機 器人眼睛 Kleynen, et al. 2004

48 拿人所不能拿 機器人可以承擔更大 的有效負載 機器爪可以接觸各種 溫度與狀態的食品又 不會產生污染
機械爪不如人手的玲 巧但是經由各種設計 可以做人手不能做的 動作 Wilson,2010

49 想人所不能想 機器人要發現雞腿 位置必需靠著影像 處理的數學運算 數學運算也可以幫 助機器人最佳路徑 規畫使動作速度變 得更快
Wurdemann et al. 2010 Aminzadeh et al. 2010 Wilson,2010

50 學人所不能學 科學家運用數學模型、 統計學、人工智慧等方 法尋求教導機器人辨識 的能力
機器人在工作中累積更 多現場數據回饋科學家 做更多的分析 Costa et al. 2011

51 謝謝 您的聆聽 敬請指教