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產業技術評析

食品產業機器人國際發展重點及應用動態
發表日期:2024-01-10
作者:孫以倫、簡政羣、黃秋香、陳麗婷(食品所)
摘要:
食品種類多元,存在區域特色及口味差異,食品產業相對對人力較為依賴,轉換標準化及自動化製程相對的複雜且具執行上的難度。

全文:

一、人機協作新時代來臨

1.為大環境變化解題:食品種類多元,存在區域特色及口味差異,食品產業相對對人力較為依賴,轉換標準化及自動化製程相對的複雜且具執行上的難度。面對大環境高齡少子、缺工、員工自我認知提升對工作環境友善的要求增加、淨零碳排目標壓力、供應鏈夥伴及消費者追求更高質、客製及彈性的食品與服務等,種種食品供需生態環境的變化。試驗新方法,逐步跳出營運的難處與旋渦,成全球食品廠商積極評估且逐步導入食品機器人的重要原因。

2.科技發展及應用落地實現加速:根據Research And Market的研究,2023年全球食品自動化設備市場達108億美元,至2030年將以年複合成長率4.9%的速度成長,2030年市場規模可達151億美元。近年國際工業用三軸以上的機械手臂技術應用成熟,且成本逐步降低。AI技術大幅前進,且應用巿場預期將倍數跳升;據Statista Market Insights 2023年8月的分析數據,AI整體市場規模2023年為2,418億美元,2030年預估將增加至7,388億美元。全球食品供應鏈及廠商設備提升營運效率,串接AI、機器人、雲運算及大數據等科技優化營運,強化韌性,提高營運自動化及智慧化的速度正在加速。

3.人機協作正在發展且值得期待:一個人走的快,一群人走的遠;而人機協作,一群特定的人,再加上部分精銳省工高效的機器人(或機械手臂)一起走,則有機會跳出環境限制及線性成長演化的框架,跳出新時代的新營運模式與格局。工業機械手臂於各產業的應用領域廣,可回應缺工及製造升級,產業應用需求大增;可適應工廠環境特性及不同應用情境,對應不同食品原料、製程及產品流通要求,系統整合開發的食品機器人,是食品產業提升生產效率及營運韌性與彈性的關鍵。進一步的人機協作,人借力機器,共同進行各項營運作業,不論精準高效或缺工限制紓解,都具產業效益及吸引力;產業變革進行式。

二、食品機器人功能角色六大類型

多元食品,各有製程工法差異;機器人加入食品產業應用,其在食材處理、分級分切、備料、調製、塑型、脫模、切割、包裝、品質檢查、倉儲堆棧等關鍵製程,需有不同功能及技術能量的食品機器人對應。若以食品機器人的工作速度、乘載重量、移動距離及特殊功能進行區分,食品機器人可分為六大類型。

1.單軸機器人(多用於專用機):運用直角坐標運動工作原理,協力定點工作及單一重複工序自動化。單軸機器人常整合於食品自動化機械設備的機構設計,如飲料充填機、包餡成型機、封蓋機、貼標機等,以各食品製程專用機型,協力自動化。

2.並聯型機器人(多用於揀選排列):屬多關節型機器人,運用數個機械手並聯,同步進行定位點校準及工作執行,精準、高速。並聯型機器人搭配機器視覺技術,多用於食材分級、固態食品產線物件揀選、排列、裝盒及輕量成品品質檢查;如蔬果品質檢查及分級包裝,烘焙點心或巧克力等成品的品質檢查、排列裝盒或按序堆疊等。

3.水平多關節機器人(多用於包裝):專注水平移動工作,可針對低載重物品搬運,具精準度及速度,安裝占地面積較小,加入原產線運作容易。近年食品機械設計簡化,水平多關節機器人在食品中段製程的應用多元性增加。如應用於食品包裝段的物件排列、分裝、裝盒、品質檢查,食品加工製程段的固態食品拾取及製程串接、點心擠花等;疊加於食品機械設備,降低機構設計複雜度或提高彈性及效率,具成本及技術優勢。

4.垂直多關節機器人(多用於切割及堆棧):可同時進行水平及垂直移動搬運作業,提供多元協力。依機器人不同的荷重級距,協力的工序及情境不同;大型手臂荷重超過百公斤,可進行大型物品及重物搬運,多應用於食品原物料卸棧、製程大型物件及重物移動、烹調、切割、裝箱、拆箱及倉庫堆棧等。
 

圖1 國際食品機器人發展的六大類型

資料來源:食品所ITIS團隊分析(2024/01)
圖1、國際食品機器人發展的六大類型
 

5.協作機器人(多用於餐飲服務):可與人員共同工作,有風險迴避系統及人機互動介面設計,確保人員工作安全與操作簡便。協作型機器人多應用於工序較複雜、須人員輔助完成的工作;如不同工序可切換調整需求、換線頻率高或空間有限的產線。如有限空間的搬運,無須給機械手臂獨立空間,不影響原工廠的人及貨移動路徑;鮮食分裝協作機器人可針對定量分裝等複雜程序,提供多元菜色換線等需求;餐飲考量人員及顧客安全,提供煎肉排、炸物、煮麵、飲料調製等現場機器人服務等。

6.自主移動機器人(多用於大範圍搬運):以自走車技術為核心,可大範圍自主移動及進行物料搬運。如協力跨樓層搬運路徑、加大搬運路線彈性或改善排隊等待停滯時間,倉儲物流的精準優化,或食品零售及餐飲的無人自動送餐與送貨到家等。

三、國際食品機器人發展關鍵技術及協作價值

(一)技術升級3大重點

1.符合生產環境及衛生規範:國際工業機械手臂四大廠商,包括瑞典ABB、中國大陸美的電器收購的德國KUKA、日本FANUC及日本YASKAWA,皆有投入食品製程專用機械手臂的機型開發。如對應食品生產衛生要求,使用食品級潤滑油,確保安全;機械手臂具平滑表面、IP65以上的防水防塵等級;或運用不鏽鋼材質、耐酸鹼沖洗之特殊塗層等;因應食品產線需定期沖洗清潔等程序。另針對部分製程須於低溫環境進行的食品,機械手臂使用耐凍材質管線、防護衣及機械加熱裝置等,相關挑戰食品生產環境的機器人技術持續開發。

2.掌握夾抓的客製及精細:食品種類多元,依型態有粉粒體、黏體、液體及固體等四類;機械手臂應用最為多元的是固體食品,如蔬果食材、餅乾糕點或調理包等。不同物體有柔軟、酥脆、延展等物性差異,或夾取易碎、變形損壞等問題。能對應不同類型食品的細緻需求,提供最適搭配的客製化夾具,是食品機器人應用突破及普及的重要關鍵。加入各式客製化吸盤式、軟式夾具及視觸覺整合技術,強化抓握控制能力,成國際學研機構技術開發的重點。如美國北卡羅來納州大學運用3D摺紙原理,開發可抓取蛋黃的軟質夾具;日本三菱電機與美國麻省理工學院合作開發視觸覺整合協作,強化機械手臂抓握控制力等。

3.擴增產線協作的效益及彈性:具敏銳風險迴避,碰撞可即時停止,或可加入攝影機、感測器等感知周圍環境及人員活動,避開及調整工作軌跡,協作食品機器人的技術開發,可加大生產效能,同時兼顧人機協作的產線安全。回應彈性製造需求,強化軌跡學習及可無編碼快速調整,或協力加快產線換線速度,可一機多用等,皆是技術開發重點。如三菱電機開發語音工作設定介面,透過英語對話指令即可進行機器人程序設定。相關應用場域從工業用製程,延伸至餐飲、零售及服務等消費型場域,技術開發速度加快且演化空間大。

(二)人機協作的價值與效益

1.食品產線製程精進且多效能提升:機器人視覺精細,可有化學清潔和高溫耐受能力,透過衛生設計、靈巧夾具、導入AI等機器學習,可重複不間斷及彈性對應製程需求,在食品製程精準高效應用的價值及空間廣。減低肉品產線人力投入;如美國廠商Seaboard Triumph Foods豬肉加工廠導入內建視覺系統的機器人,系統可掃描每隻豬的屠體並建立適當切割路徑,機器人依掃描數據進行切割與修整;產線布建從頸部修剪、開腹、背剖等多部機器人,提高屠宰的精準度、產量和品質。原廠區每班次1214人力需求,縮減為1人,自動化減緩缺工壓力;機器人視覺系統協力精準分切、追蹤廠區產品流向及出廠肉品無異物摻雜。穩定烘焙食品製程及品質;如美國廠商Dawn Foods的蛋糕裝飾生產線,與Concept Systems合作開發3D視覺系統,蛋糕圖像的精準數據可視,機器人透過圖像可調整產品高度和形狀細節;機器人操作友善介面,有利員工研發設計高品質、複雜且有創意的糖霜。確保包裝完整及降低食品浪費;如Greymans鬆餅製造商建構包裝機器人產線,生產速率倍增,且產線配有視覺追蹤、荷重平衡、碰撞防護和乙太網編輯等裝置,能完整掃描檢測置入包裝袋的產品數量、位置及品質,減少不良品等浪費。

2.接單及訂單交付更客製有彈性:結合AI、機器視覺及機器人,將貨對人(Goods-to-Person,GTP)系統轉成貨對機器人(Goods-to-Robot,GTR)操作,食品廠商可因應各種尺寸和形狀產品製程及包裝揀選的機器人,實際進行自動及智慧接單。高效處理產品揀選作業,如屬美國Hershey的Dot's Pretzels椒鹽捲餅新工廠的堆棧機器人,其軸臂運轉範圍大,能同時處理兩條輸送帶的產品,進行單一或多種產品揀選;機器人可離線仿真模擬,依據占地面積、運轉範圍和負載量等參數,在廠區依據輸送帶、固定裝置等組件,選擇最佳定位,減少空間占用及高效執行。可因應各式彈性訂單需求,如荷蘭的蔬果加工廠商Heemskerk針對生鮮沙拉和即食食品保存期限短,手動訂單揀選和傳送操作無法滿足市場需求的問題,應用四軸和六軸機器人,拾取裝有特定客戶訂單產品的棧板箱,堆成穩固、高的混合堆棧,訂單處理量增加23倍。提高出貨吞吐量,如美國麵食工廠Barilla導入AS/RS靈活管理不同數量及輸送量的托盤機器人系統和雷射導引車,提升整個訂單揀選和產品配送的自動化及彈性,智慧物流控制平台實時監控,提高倉儲能力。

四、借鏡:日本食品產業應用趨勢及案例

(一)同樣為因應環境變化而做改變

高齡少子及疫情後的環境變化,人手不足讓日本食品企業運作更為艱難;業務營運人員斷層、產品錯誤與投訴增加、服務品質下降、工作傷害事故頻傳、工作環境不舒適無法吸引好人力加入、勞動時間過長或產線無力對應新產品開發速度等,種種問題困擾日本食品廠商。透過數位化、機械化及自動化解決問題,成日本廠商的期待。富士電機2023年曾針對食品製造業及食品工廠進行「食品工廠人手不足相關意識調查」,高達55.6%的日本食品廠商有缺工的問題;「活用多樣人才」、「更新既有設備達到省力/效率化」及「活用機器人/自動機械達到自動化/省力化」被認為最有實質成效的努力方向。

協作機器人在日本基於安全方針,解除限制,也為加速發展的關鍵。日本原針對產業用機器人有「80W限制」(使用功率80W以上產業用機器人須設立柵欄,與人的作業區隔離),日本政府2013年解除勞動安全衛生法限制後,機器人滿足安全條件,即可進行人機協作,加速日本從傳統產業用機器人應用,轉為協作型機器人(表1),加速協作機器人開發及應用進程。「減低導入限制」、「安全技術進化」及「應用導入容易」等特色,驅動食品廠商加入機器人自動化設備應用的考量;日本政府推動「生產製造輔助事業」及「機器人導入實證事業」則為機器人實做帶來具體助力。
 

表1、傳統產業用與協作型機器人的差異
項目

傳統產業用機器人

協作型機器人

對象 同品種、大量生產 變種變量、柔軟更換
場所 設置安全柵欄的大型產線 對應作業員進出的中小產線
關鍵 位置控制 位置控制+力道控制
特性

1.危險、環境嚴苛、單純的作業

2.動作速度快、力道強勁

3.與人接觸會造成危險

1.可與人在相同空間作業

2.接觸立即停止、抑制速度

3.確保安全、不需做隔離

資料來源:安川電機(2023/08)
 

(二)日本機器人運用情境案例

使用協作機器人的魅力,在優化整個生產系統。導入協作機器人的重要流程,包含「明確的課題與需求」、「設立導入專案計畫」、「選擇機器人」、「設計機器人」、「安全設計」、「環境設計」、「控制/感測設計」、「維護/運用」等環節。具體問題的解決及機器人應用情境有不同模式(表2)。

1.產線盛裝協力有助手:便當及熟食相關食品產線皆有共通的問題,即是食品型態多樣,盒裝進入輸送帶,盛裝、蓋盒至搬運,多數流程皆需人力執行;單一作業環境,常有人手缺乏等問題。近年日本熟食協會主導的盛裝系統、闔蓋系統、移載系統、工作排程演算等大規模技術研發計畫,持續於合作廠商產線進行實測,對應不同情境開發相關衍生技術。另,RT CORPORATION針對固態食品開發的雙臂型機器人,TechMagic、Connected Robotics等公司對應沙拉、蔬菜等計量難度高的食品盛裝,延伸開發不同抓夾及量測投入關鍵零件,都讓熟食產線未來人機協作有更多可能性。
 

表2、日本食品協作機器人應用情境及案例
解題情境 亮點案例

產線盛裝

有協力助手

RT CORPORATION針對固態食品開發雙臂型機器人,可用影像確認食品位置,將炸雞、蕃茄等食品從食物籃夾至盒裝指定位置,作業速度與人相同。機器人以推車設計好移動。裝載AI系統使替換品項時,不需再度學習即可快速對應。買斷制外,也提供月費租借方式,以類似聘雇作業員的形式便於採用。

高溫調理環境

替代協力

JR東日本旗下外食公司JR-Cross與Connected Robotics合作導入蕎麥麵機器人至車站內蕎麥麵店舖。機器人為雙臂型設計,可將蕎麥麵從生麵煮成熟麵,包含調理工具洗淨與麵體浸涼程序。機器人協作,員工僅需將生麵放置於指定位置,加入配料等後調理,專注對應客人。蕎麥麵調理機器人每小時可處理150份熟麵,且能用平板確認調理時間。JR-Cross規劃增加30間以上的店舖應用。

研發創意

可自動生成及支援

日本餃子專賣店-大阪王與TechMagic合作拓展調理機器人I-Robo的運用。機型重現熟練廚師的廚藝,對應炒飯、蔬菜等料理,包含加熱溫度、加熱時間、轉鍋速度及方向等細節。可增設液體調味料自動供給配件;調味、攪拌、加熱等調理後,可自動清洗。大阪王在日本有350間店舖,未來將持續導入,解決廚藝培育壓力及人力吃緊等問題。

資料來源:RT CORPORATION 、RT CORPORATION 、Seizo Trend (2023/08)等網站,食品所ITIS團隊分析整理(2024/01)
 

2.高溫調理環境的替代協力:食品過冷或過熱環境,都較難讓員工在其中作業。為降低工作環境負荷,JR東日本旗下的外食公司JR-Cross與Connected Robotics合作導入可耐受高熱的蕎麥麵調理機器人在車站內店舖服務。日本全家便利商店亦針對罐裝飲料冷藏庫後台低溫環境,與Telexistence合作開發耐冷,且搭載影像鏡頭及AI系統,可回報貨架狀況及銷售數據的飲料補充AI機器人TX SCARA,進行測試運用。

3.調理研發創意可自動生成及支援:人力缺乏外,穩定餐食品質的供應,調理廚藝水準亦是問題。日本餃子專賣店與TechMagic合作開發調理機器人I-Robo,穩定餐食供應。TechMagic亦與味之素及Kewpie等日本食品廠商合作研發,投入相關自動化調理技術設備的開發。

五、未來發展

1.未來就是現在:詭譎多變環境下,善用人工智慧和自動化設備等,打造精實敏捷生產及營運韌性的重要。人機協作只是其一,重要的還是能明確的發現且確定必要改變的問題點,且找到跳出漩渦的最適新方法及新路徑。蓬勃開啟的機器人時代來臨,加強多元的智慧機械發展及協力,讓食品及餐飲的中長期營運不確定性可減低,才能打造運籌帷幄的新實力。生產成本壓力和勞動力短缺,觸動食品廠商積極面對問題,尋求改變;但實際運用顯現的精準高效及高附加價值彈性與靈活性,才是開創不可思議的未來,具破壞式創新的改變。隨AI應用、影像處理等關鍵技術被開發,後續食品製程自動化或機器人應用的比例將快速增長;產品多元細節等開發問題與難處,將成為應用突破最顯著的機會點。

2.食品機器人三大趨勢持續加速精進:全球食品廠商多以中小企業為多,難以對應自動化或機器人應用等成本或合作開發等,面臨的問題普遍相近。但不論如何,未來相關的問題都將隨系統整合技術開發,逐步緩解。整體朝三大方向發展前進,一是普及化,機器人導入技術難度及成本持續降低,不同規模食品業者對機器人的應用及接受度將提升;二是服務化,機器人功能朝人機協作友善發展,人機互動模式及直覺型操作將更強化,應用門檻可大幅降低,服務型機器人則朝滿足一般大眾應用演化,走入日常;三是專精化,對應不同情境場域及工作型態的機器人功能需求差異大,機器人關鍵零件及系統整合可滿足的應用情境,不論工廠、倉庫、流通、零售或餐廳等相關自動化、智慧化及協作等需求將加多元細緻,且不斷延伸。
 

(本文作者為食品所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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