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協助型機器人大舉進攻食品包裝市場
 

【作者: 盧傑瑞】   2018年07月12日 星期四

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由於不斷出現食品包裝中發現有異物的事件,同時也對於社會造成一定程度的困擾和不安,再加上食品是每日必須進入口中的,因此,對於食品的包裝在安全性方面,相對於其他商品包裝的安全性要求來得更高。正因為這樣的特性,再加上有相當多的部分需要人工來進行作業,因此在生產速度方面,和其他產業相比,就顯得非常緩慢;雖然是這樣,也相對的提供了在技術和設備上不斷突破創新的機會與市場規模的成長動力。


根據日本ResearchStation在2018年4月發表了一份《食品包裝技術,以及食品包裝機械的世界市場》的市場調查,這份調查報告所涵蓋的範圍包括了包裝技術方式(調氣包裝、活性包裝、無菌包裝、聰明包裝、可分解包裝等)、包裝材料市場(金屬、玻璃/木材、紙/紙板、塑膠等)、包裝設備(FFS、填充、紙盒、杯盒、集束/印字、檢查/篩選/量測)、技術/設備用途別市場(速食、雞肉/魚/肉製品、麵包糕點、餅乾、乳酪/乳製品、水果/蔬菜等)。報告中顯示,全球的食品包裝相關技術市場規模,將從2018年的413.6億美元,5年之後,也就是在2023年預估會有40%的成長規模,達到578億美元。其中,在食品包裝設備的部分,也將從2018年的197.2億美元,在2023年成長到269.6億美元,成長率將達到36%左右,成長幅度可以說是相當大。


在如此高成長的食品包裝設備產業中,除了食品包裝的安全性、包裝方式的改革、提高包裝速度等等傳統技術不斷獲得突破之外,伴隨著IT技術的進步,食品包裝設備也開始導入了AI與IoT的技術。不過在協助型機器人研發上,必須有一定安全程度的考量,例如,需要非常嚴謹的設計出機器和人體接觸時的感測裝置,當即將和周圍作業員接觸時,必須立即減速和停止動作,來確保共同作業人員的安全。


當然,和車廠生產線上熔接等等所使用的產業機器人相比,協助型機器人的成本相對便宜,以及操作單純容易,並且相當容易導入狹隘的生產空間中。這對於自動化進度較為緩慢的中小型食品企業來說,是面對員工成本高漲、勞動人力不足的困難下,一個相當好的對策。


FOOMA JAPAN 2018揭露三大食品包裝設備趨勢

在近期閉幕的FOOMA JAPAN 2018 國際食品工業展上,就可以發現已經有相當多的大型食品包裝設備業者,已經開始將IoT與機器人導入新一代的包裝設備之中(圖1)。並且可以非常明顯地發現,食品包裝設備將朝向三大趨勢發展,分別為:一、協助型機器人的普及化;二、取代過去個別包裝功能設備,針對食品業界的廣泛應用型機器人將急速擴大;三、針對食品業界工廠的IoT化。



圖1 : FOOMA JAPAN 2018 國際食品工業展上,就可以發現已經有相當多的大型食品包裝設備業者,已經開始將IoT與機器人導入新一代的包裝設備之中。(source:foomajapan)
圖1 : FOOMA JAPAN 2018 國際食品工業展上,就可以發現已經有相當多的大型食品包裝設備業者,已經開始將IoT與機器人導入新一代的包裝設備之中。(source:foomajapan)

協助型機器人的普及化

作業員與協助型機器人共同在生產線上工作這樣的模式,在過去是很少出現的,應該說,協助型機器人的應用是從現在才開始發展,這和一般的所謂產線上的機器人並不完全相同,而只是對於作業員在工作上,提供一定程度協助的小型化設備。


但是,一般來說,新觀念的產品被開發出來之後,才會開始考量去細分產品應用範圍與相對應的市場,然後才會有下一步的看法或開發品出現。而在真正的導入使用上,領先應用的並不全然是大型或技術領先的企業,一般中小型企業如果在時機點上能夠相應符合的話,也是能以機會領先導入使用。


廣泛應用型機器人將急速擴大

緊接下來的是,在未來機器人的設計,將不會侷限在特定的動作或應用上,例如,目前因為需要進行攪拌、插入、取出等而必須開發出專用型設備,但無論是食品包裝、藥品包裝、飲料填充、食品製作等這樣的動作,在未來,伴隨著自動控制技術的進步,新一代的廣泛應用型機器手臂將會陸續發表,同時在滿足攪拌、插入、取出等複雜動作時,又能兼顧動作速度與精度。例如,透過影像的高度分辨能力,就可以對炸雞、配菜、飯糰、草莓、大福等不固定形狀的物品進行柔性夾起、置放等作業,這些在過去都是機器手臂難以完成的工作。


針對食品業界工廠的IoT化

更進一步的關於IoT化,各式各樣可以支援物聯網的模組、感測器、系統等都已經被開發出來,並且開始應用在各種自動化設備上。因此,食品業界工廠為未來所使用的生產設備或協助型機器設備,和目前組裝工廠所使用號稱高科技的生產設備比較起來,可以說是私毫不遜色。除了設備本身的IoT化之外,在生產管控上所必需的品質管理,可追溯機制、設備監視系統等,都已經可以被整合到系統平台上,並且對於食用安全至上的食品工廠來說,更是減少了人為疏失所造成的食品安全風險。


協助型機器人將在食品包裝產線中普及化

而在協助型機器人的發展上,腕型機器人應該是最先被應用在食品包裝生產線上,來解決人力不足的困擾,例如在外箱的包裝、價格標籤貼附等簡單的作業上,都不難發現,已經有作業員與協助型機器人一起工作的情況。


OSARO將深層學習應用於協助型機器人產品

在這次FOOMA JAPAN 2018 國際食品工業展會場上,有相當多的業者展示了食品包裝產線的協助型機器人。總公司位於美國舊金山的OSARO和日本Denso-Wave共同展示了應用於食品包裝具有AI智慧的協助型機器人。一直以來,OSARO所開發的機器人都是透過人工智慧能力,對於影像具有高度分辨能力。


對於一般的機器人來說,大多都是在事先輸入目標物的CAD資料,然後再與判別物進行比對,這樣的技術背景下,只能對目標物在不重疊的情況下,一個一個的進行判別,還需要具有規則性等的輔助作業。但是,OSARO的技術則是透過深層學習(Deep Learning)的能力技術下,對於整體影像中,並不是每次只能一個對象物進行判別。就像在這次展覽會場上所展示的,這款協助型機器人能夠正確的拿起零散的炸雞塊,並且正確的放到便當盒中預先指定的位置。


現場展示人員表示,這款協助型機器人在具備速度和正確性時,卻又不會犧牲應用的高彈性度,就像所展示的動作,能夠快速地夾起每個外型都不相同的炸雞塊,並且在放置於便當盒內時,具備相當輕巧且穩定的能力(圖2)。



圖2 : OSARO的協助型機器人能夠快速地夾起每個外型都不相同的炸雞塊,並且在放置於便當盒內時,具備相當輕巧且穩定的能力。(source:robotstart)
圖2 : OSARO的協助型機器人能夠快速地夾起每個外型都不相同的炸雞塊,並且在放置於便當盒內時,具備相當輕巧且穩定的能力。(source:robotstart)

川崎重工業的「duAro」能做到人類雙手相當複雜的工作方式

大多數業者所開發的機器人手臂都是以單一手臂為旋轉椅及作業,不過,此次在FOOMA JAPAN 2018國際食品工業展覽場上,川崎重工業展示了雙臂式的協助型食品包裝機器人。這款雙臂式協助型機器人,在利用單一手臂對容器固定時,另一隻手臂就可以從事食品的取放或包裝,可以說是非常接近人類雙手相當複雜的工作方式。


這款雙臂式協助型機器人川崎重工業取名為「duAro」,在開發「duAro」的初期,就被設定期望開發出一個能夠和人員同處於一個空間之中,並且能夠共同作業的機器人,因此,川崎重工業將機器手臂與控制單元整合在同一個本體載台上,使得整個機器人的結構相當簡潔,並且非常便於設置與移動。


到目前為止,川崎重工業的duAro共開發了三個版本,除了duAro之外,還有duAro2和duAro3。相較於duAro不同的是,duAro2強化了可搬運重量從原本的2公斤(雙臂4公斤)增加到3 公斤(雙臂6公斤),以及Z軸(垂直方向)的行程(stroke)從原先的150mm增加到550mm,並且也提升Z軸運作速度,最大直線加速度為300mm/秒(圖3-4)。



圖3 : 川崎重工業將機器手臂與控制單元整合在同一個本體載台上,使得整個機器人的結構相當簡潔,並且非常便於設置與移動。(source:robotstart)
圖3 : 川崎重工業將機器手臂與控制單元整合在同一個本體載台上,使得整個機器人的結構相當簡潔,並且非常便於設置與移動。(source:robotstart)

圖4 : 另一角落,川崎重工業展示了「duAro」進行湯品填裝的作業。透過機器手臂完成湯品容器的準備,並且自動進行湯品的填裝與計量的作業。(source:robotstart)
圖4 : 另一角落,川崎重工業展示了「duAro」進行湯品填裝的作業。透過機器手臂完成湯品容器的準備,並且自動進行湯品的填裝與計量的作業。(source:robotstart)

和OSARO一樣,川崎重工業的「duAro」也有進行對不固定外型物品取出的能力,利用雙臂式「duAro」就可以進行便當配菜的取出與置放的作業,川崎重工業在「duAro」的前端裝置了3D視野的攝影機,透過攝影機的定位,就能夠輕易地夾起預訂放置在便當中的配菜,以及放置在預設的位置上,來進行便當的裝配作業。同時,川崎重工業展示了包括放置便當飯糰、便當上蓋、外盒包裝等配合性的設備,來完成整個便當作業生產流程,而這樣的便當作業設備,非常適合類似像連鎖便利商店或賣場來進行便當商品的作業(圖5)。



圖5 : 「duAro」的前端裝置了3D視野的攝影機,透過攝影機的定位,就能夠輕易地夾起預訂放置在便當中的配菜。(source:robotstart)
圖5 : 「duAro」的前端裝置了3D視野的攝影機,透過攝影機的定位,就能夠輕易地夾起預訂放置在便當中的配菜。(source:robotstart)

DENSO期望解決在各種不同環境下協助型機器人的應用

不僅僅川崎重工業展示雙臂運作的協助型機器手臂,日本大廠DENSO也在這次的展覽中展示了可搭配數個整合運作的小型機器手臂「COBOTTA」。DENSO開發COBOTTA最初的想法是,期望能夠解決在各種不同環境,或多樣化物品的差異性下,仍舊能夠扮演一部最佳協助型機器人的目標。因此,對於這個想法的實現,DENSO摸索了相當長的一段時間,最終開發出能夠滿足需要正確做出無限次數重複動作的要求,包括食物包裝、藥品研究、學校課程教導等各種環境應用的協助型機器手臂(圖6)。



圖6 : DENSO摸索了相當長的一段時間,最終開發出能夠滿足需要正確做出無限次數重複動作的要求。(source:DENSO)
圖6 : DENSO摸索了相當長的一段時間,最終開發出能夠滿足需要正確做出無限次數重複動作的要求。(source:DENSO)

在展台上,DENSO利用2套「COBOTTA」組成雙機器手臂,來進行餃子的包餡作業。這是從愛知工業大學黑客松(hackathon)的產生的想法,而製作餃子的工具則是購自百元商店的包餃器,再進一步的透過雙機器手臂的運作,就可以包出一顆顆外觀、品質均一的餃子。除此之外,在DENSO的攤位上同時也展示冷凍漢堡的高速取出和排列的設備,以及透過2台機器手臂和一台控制單元,就能夠完成巧克力食品覆蓋和封合的組合,這樣的設備組,不只可以進行堅硬食品的包裝,同時也可以對包括像番茄、泡芙、水饅頭(類似大福的點心)等柔軟的食品進行取出和包裝(圖7)。



圖7 : DENSO利用2套「COBOTTA」組成雙機器手臂,在展台上進行餃子的包餡作業。(source:robotstart)
圖7 : DENSO利用2套「COBOTTA」組成雙機器手臂,在展台上進行餃子的包餡作業。(source:robotstart)

FANU併購Life Robotics跨入協助型機器人

當然,自動化設備大廠FANUC也沒有在這次FOOMA JAPAN 2018國際食品工業展盛會上缺席,在諾大的FANUC攤位上,展示了飲料生產線上的協助型機器人產品,由於寶特瓶的外型是相當流線,並且形狀凹凸不一,因此在傾倒後希望透過機器手臂取出或扶正,對於控制系統的設計來說,是一件相當困難的工程。而FANUC克服了這項困難,在攤位的輸送帶上旁可以看到,透過黃色機器手臂的協助,能夠將傾倒的寶特瓶從作業輸送帶上取下,並且再透過綠色機器手臂將取出的寶特瓶正確地放回作業輸送帶上(圖8)。



圖8 : (source:Aperza)
圖8 : (source:Aperza)

另外,因為看好生產線上協助作業機器人的市場未來潛力,對於投資新一代協助型機器手臂的開發,FANUC更是不遺餘力。在今年(2018年)FANUC就宣布了併購總公司位於東京的Life Robotics公司,FANUC看上了Life Robotics在機器手臂的開發上,採用了非腕式的設計,也就是機器手臂上沒有手肘設計,而是完全採用多關節的技術「Transpander Technology」,讓機器手達到旋轉運作的目的,這樣的機器手臂技術產品Life Robotics稱之為「CORO」(圖9)。透過併購的方式,Life Robotics完全被納入FANUC的企業體系之中,成為FANUC旗下100%擁有的子公司。


在數年前,吉野家因為看上「CORO」的動作模式,能夠滿足狹小的作業空間,因此導入Life Robotics的「CORO」來進行餐盤的回收清洗作業。除此之外,包括豐田汽車、OMRON等也相繼導入「CORO」到生產線上,進行生產作業協助的工作。



圖9 : 雖然少了手肘的設計,但是「CORO」對於蛋糕製作時,裝飾物的擺放作業完全不存在困難度。(source:Life Robotics)
圖9 : 雖然少了手肘的設計,但是「CORO」對於蛋糕製作時,裝飾物的擺放作業完全不存在困難度。(source:Life Robotics)

2025年全球協助型機器人市場規模將成長10倍以上

未來協助型機器人的市場發展潛力相當被看好,根據市場研究單位的預估,在2025年時,全球協助型機器人的市場規模將比目前成長10倍以上,因此在協助型機器人的發展上,在面對來自技術居於領導地位的歐洲業者競爭壓力下,目前日本各企業無不卯足拚勁,藉由和日本國內相關企業的併購或技術合作,來強化自己的研發以及銷售能力。


歐洲業者與汽車大廠共同制定協助型機器人的安全基準與規範

但是在這個領域,歐洲業者已經開發和經營相當久的一段時間。從2008年開始包括福斯汽車等汽車大廠,都已經在其生產線上導入使用協助型機器人,不只如此,還與歐洲業者共同制定協助型機器人的安全基準與規範,藉此取得全球市場標準的領導地位。再加上工業4.0概念的崛起,更是增強了協助型機器人在歐洲市場的成長動力。因此,在全球市場的佔有率上面,具有壓倒性的優勢存在。


根據BIS市調公司的報告顯示,丹麥的Universal Robot在這個市場上佔有60%的市場比例,可以說是協助型機器人業界的巨人。相比之下,FANUC的市場佔有率只有6%~10%而已,更別說其他的日本企業,以目前的實力能在這個市場中獲得多少的銷售比例。但Universal Robot並不以此為滿足,除了繼續保持60%的高市場佔有之外,同時,也隨著全球市場規模的擴大而提升本身的營業額,根據Universal Robot的報告,2017年的全年度銷售額比2016年增加了1.7億美元,達到72%的成漲幅度,而預估2018年的營業額也將比去年成長50%。


日本業者積極合縱連橫

除了如上述的,在2015年才加入協助型機器人市場的FANUC,以併購的方式買下Life Robotics跨足這個領域之外,川崎重工業為了在操作的程式化能更為簡易,宣布與ABB進行策略合作。而安川電機也在去年(2017年)開始銷售協助型機器人,三菱電機也預計在明年(2019年)上半年投入協助型機器人的開發。


不僅僅自動化控制設備業者加入市場的競爭,在使用者方面也都積極的導入協助型機器人來提高食用產品的安全性、品質均一性與生產速度,例如生產便當、?菜的知名企業Delicious Cook,已經在其千葉縣的食品工廠生產線,導入使用川崎重工業的協助型機器人。從流水生產線的輸送帶上開始,同時5個壽司飯糰,到最後的將便當裝入出貨用紙箱,都藉由協助型機器手臂和作業員一起工作來提高生產效率。由於試行的成效相當好,目前Delicious Cook也正在考慮採購第二套協助型機器手臂。


如此強勁的市場背景之下,對於協助型機器人的潛在需求是相當龐大的。富士經濟預估,2025年時,協助型機器人的市場規模將會達到1兆日圓,這比起2017年將會有12倍以上的成長。面對這樣的市場規模潛力,Universal Robot總裁Jurgen von Hollen認為,「今天能夠正確的了解協助型機器人的企業比例只有10%而已,還有90%的對象完全不了解或根本沒有接觸過協助型機器人的優點和必需性。」


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