工業(yè)機(jī)器人在包裝行業(yè)的應(yīng)用研究

文/上海杉達(dá)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 李磊磊

引言

作為制造大國，我國的機(jī)器人行業(yè)已經(jīng)取得了跨越式的大發(fā)展，國產(chǎn)機(jī)器人技術(shù)也已日趨成熟并得到了廣泛的應(yīng)用。在國內(nèi)人口老齡化加速與勞動力成本不斷攀升的背景下，建設(shè)智能制造工廠將是大勢所趨。消費(fèi)品種類不斷增多，包裝需求急速增加，這也加速了包裝機(jī)器人的普及進(jìn)程。隨著智能包裝技術(shù)在制造業(yè)包裝場景下逐步的發(fā)展，依托大數(shù)據(jù)、人工智能、IOT（Internet of Things）等核心技術(shù)的進(jìn)步，包裝機(jī)器人產(chǎn)品也在加快迭代升級。技術(shù)的進(jìn)步和不斷完善不僅促進(jìn)了包裝行業(yè)的快速發(fā)展，還給行業(yè)帶來了更加豐厚的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

一、智能包裝機(jī)器人市場占有率逐步提高

市場需求推動技術(shù)進(jìn)步。改革開放以來，特別是我國加入世界貿(mào)易組織之后，面對琳瑯滿目的商品，人民的需要也在逐步提升。隨著收入的增長，人們更關(guān)注產(chǎn)品的包裝質(zhì)量，而不僅僅是產(chǎn)品本身。

包裝機(jī)器人主要集中應(yīng)用在食品、醫(yī)藥、服裝、生鮮等這些物料質(zhì)量較小、數(shù)量巨大、要求更嚴(yán)格的使用場景。隨著新興技術(shù)的不斷出現(xiàn)、人們環(huán)保意識的提高和特殊包裝材料對包裝技術(shù)要求逐漸提高，如何更好地滿足特殊物料的包裝要求，保護(hù)好產(chǎn)品的安全，成為行業(yè)目前急需攻關(guān)的課題，而機(jī)器人則成為了解決問題的關(guān)鍵[1]。

20世紀(jì)中葉以來，智能包裝機(jī)器人在西方發(fā)達(dá)國家得到政府的高度重視和行業(yè)內(nèi)廣泛的應(yīng)用，西方國家得益于包裝自動化生產(chǎn)線技術(shù)的領(lǐng)先和率先應(yīng)用，出現(xiàn)了數(shù)量龐大的行業(yè)巨頭，甚至形成了行業(yè)的壟斷。比如可口可樂、寶潔、卡夫亨氏、聯(lián)合利華、雀巢等公司都成了行業(yè)內(nèi)的巨頭，占據(jù)全球大部分市場份額。相比之下，我國本土公司的包裝機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展較晚，跟發(fā)達(dá)國家的技術(shù)相比，還有很大的差距。眾多種類的包裝機(jī)器人在我國的研發(fā)和應(yīng)用仍處于發(fā)展階段，我國的商業(yè)公司仍需要進(jìn)口國外的先進(jìn)設(shè)備來滿足生產(chǎn)包裝的需求。

隨著全球一體化進(jìn)程的加快，中國公司的質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的產(chǎn)品受到全世界人民的喜愛。面對來自全球的巨量訂單需求，先進(jìn)的包裝機(jī)器人成為行業(yè)發(fā)展必不可少的有力引擎，包裝機(jī)器人市場份額也在不斷擴(kuò)大，特別是能夠滿足更多使用場景的智能包裝機(jī)器人有著更廣闊的發(fā)展前景。

二、包裝機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)

包裝機(jī)器人硬件主要由光源、氣動設(shè)備、工業(yè)相機(jī)和鏡頭、線纜和控制柜組成。光源的應(yīng)用，可以提高識別區(qū)域目標(biāo)的對比度，有利于提高機(jī)器人視覺系統(tǒng)的識別正確率。在機(jī)器人系統(tǒng)部署之初對機(jī)器人視覺系統(tǒng)的校準(zhǔn)和訓(xùn)練進(jìn)一步提高了識別精度，機(jī)器人運(yùn)行過程中由機(jī)器視覺系統(tǒng)來進(jìn)行定位和圖像識別與處理，優(yōu)化自動包裝碼垛正確率，如圖1、圖2所示。

圖1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

圖2 機(jī)器視覺系統(tǒng)工作圖

（一）機(jī)器視覺定位技術(shù)

使用機(jī)器視覺系統(tǒng)的包裝機(jī)器人，在投入使用前首先要進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定。通過旋轉(zhuǎn)和移動機(jī)械臂來調(diào)整相機(jī)與工作臺的相對位置，使相機(jī)與機(jī)器人建立通信。機(jī)器視覺系統(tǒng)將相機(jī)的像素坐標(biāo)與機(jī)器人的世界坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換[2]，并自動計(jì)算偏差，系統(tǒng)算法會將相機(jī)坐標(biāo)與機(jī)器人坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一，將機(jī)器人的世界坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為相機(jī)的坐標(biāo)體系，標(biāo)定好的相機(jī)則在以后使用過程中基本不需要再做調(diào)整。

機(jī)器視覺定位技術(shù)主要是結(jié)合標(biāo)定好的相機(jī)坐標(biāo)，通過相機(jī)拍攝的圖片進(jìn)行圖片識別，提取圖像記錄的像素坐標(biāo)并自動計(jì)算出工件空間坐標(biāo)，再結(jié)合空間模型成像的技術(shù)來進(jìn)行相應(yīng)的定位。

（二）圖像處理與目標(biāo)識別技術(shù)

圖像的獲取是至關(guān)重要的第一步。一般選用靈敏度高、功耗低、具有較高成像質(zhì)量的圖像傳感器。光源的作用是提高亮度，使需要被觀察的目標(biāo)特征與周圍的區(qū)域特征產(chǎn)生最大的對比度，幫助圖像傳感器獲取更清晰的圖像。圖像處理系統(tǒng)對相機(jī)和傳感器獲取的圖片進(jìn)行數(shù)字處理。主要方式為去噪、復(fù)原、提取特征等，將圖片信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，通過工控機(jī)做進(jìn)一步處理。研發(fā)人員利用圖像處理技術(shù)對獲取的圖片進(jìn)行二值化。（圖像二值化是將圖像上的像素點(diǎn)的灰度值設(shè)置成0或255，將256個亮度等級的灰度圖像通過適當(dāng)?shù)拈撝颠x取而獲得仍然可以反映圖像整體和局部特征的二值化圖像）。經(jīng)過圖像二值化過的圖片數(shù)據(jù)量大大減少，更有利于進(jìn)一步處理。

根據(jù)處理過的樣本圖像特征，機(jī)器視覺系統(tǒng)通過相機(jī)實(shí)時(shí)拍照獲取未知目標(biāo)，將未知目標(biāo)群落與樣本特征進(jìn)行比較并快速做出決策，具有相同特征的目標(biāo)會被系統(tǒng)判定并標(biāo)記為同類目標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識別。

三、包裝機(jī)器人在食藥行業(yè)的應(yīng)用

目前國內(nèi)食藥安全形勢十分嚴(yán)峻。作為與人們健康息息相關(guān)的兩個重要方面，如何保證食品與藥品的安全已經(jīng)成為全民討論的話題。

這些年來，社會上報(bào)道的食品安全事故層出不窮。國家出臺了相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，要求生產(chǎn)廠家按照國標(biāo)進(jìn)行生產(chǎn)和包裝。政府有關(guān)部門也在完善更多規(guī)范條例，加強(qiáng)對食品生產(chǎn)、包裝以及運(yùn)輸?shù)雀鞣矫娴谋O(jiān)管。如使用安全認(rèn)證體系，二維碼和條形碼等電子標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)包裝過程的溯源，食品包裝內(nèi)無毒安全氣體的填充以及使用對人體傷害更小的外包裝材料等等。市場上也出現(xiàn)了針對不同物料包裝用途的包裝機(jī)器人。如在吐司小面包的包裝場景下，生產(chǎn)好的吐司小面包在自動化傳送帶上被傳送到自動理料線。在自動理料線上，吐司小面包會被分流到各個包裝區(qū)。包裝機(jī)器人將包裝袋撐開，吐司小面包被推桿推到包裝袋內(nèi)，并由包裝袋下面的支撐傳送桿送到下一個工位。氣調(diào)包裝機(jī)器人的氣閥控制包裝袋內(nèi)氣體填充速度，填充足夠的保護(hù)氣體，封裝部件會自動扎緊包裝袋，包裝好的吐司面包會被送到碼垛區(qū)，由碼垛機(jī)器人進(jìn)行裝箱和封箱。各個部分相互協(xié)作達(dá)到高速處理效果，全程采用包裝自動化高速處理技術(shù)極大地提高了食品安全性和產(chǎn)量。從生產(chǎn)到銷售，產(chǎn)品可在更短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)消費(fèi)者手中，消費(fèi)者能吃到新鮮安全的食品。同樣，如廣受消費(fèi)者喜歡的三只松鼠每日堅(jiān)果禮盒，該產(chǎn)品采用新型干濕分離式包裝機(jī)器人操作，實(shí)現(xiàn)一個包裝袋內(nèi)可以分別裝堅(jiān)果和果干兩部分，封口操作后仍是一個完整的包裝袋。

隨著全球醫(yī)藥市場需求的不斷擴(kuò)大，包裝機(jī)器人在醫(yī)藥行業(yè)的應(yīng)用也越來越廣。作為關(guān)系人們生命安全的救命藥，為了保護(hù)藥品的安全和功效，同時(shí)也為了減少人工裝瓶裝箱帶來的細(xì)菌感染，無菌醫(yī)藥包裝機(jī)器人陸續(xù)投入到藥品的包裝裝箱過程中。多數(shù)藥品屬于化學(xué)物質(zhì)，對保存環(huán)境要求很高。藥品的包裝主要是保護(hù)藥品的功效，避免感染或者變質(zhì)，如果包裝不當(dāng)，很容易發(fā)生質(zhì)變，致使患者病情加重甚至失去生命，釀成慘劇。由于要經(jīng)過生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲存等多個環(huán)節(jié)，到患者使用的時(shí)候，會經(jīng)歷相當(dāng)長的時(shí)間，因此保護(hù)藥品在各個環(huán)節(jié)的安全至關(guān)重要。

有的制藥設(shè)備企業(yè)研發(fā)了裝瓶操作線上的機(jī)器人[3]，例如針對某些過敏藥片，機(jī)器人可以自動進(jìn)行無菌分裝，裝好的藥瓶會被傳送到下一個工位進(jìn)行保護(hù)氣體填充和瓶口保護(hù)膜密封處理。過敏藥片可以存儲更久的時(shí)間并能最大程度的保護(hù)藥品的功效。這種智能協(xié)作型藥品包裝機(jī)器人相較傳統(tǒng)自動化解決方案在效率上有非常大的提升，更為重要的是在安全保護(hù)上有著不可替代的保障。隨著醫(yī)藥包裝行業(yè)的快速發(fā)展以及包裝設(shè)備的高端化發(fā)展需求，智能化、超級計(jì)算機(jī)及5G技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)正在催生新一代智能醫(yī)藥包裝機(jī)器人的出現(xiàn)。

四、制約我國包裝機(jī)器人發(fā)展的因素

智能包裝機(jī)器人涉及到機(jī)器視覺、傳感器、通信、機(jī)械、控制和芯片等領(lǐng)域，而這些核心技術(shù)還很大程度上依賴國外技術(shù)和關(guān)鍵零部件。雖然有些零部件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，但是性能和質(zhì)量還存在較大差距[4]，從而只能應(yīng)用在一些低端機(jī)器上。國內(nèi)集成公司大多從國外直接進(jìn)口智能包裝機(jī)器人及配套自動化生產(chǎn)線，消化吸收后再次進(jìn)行組裝。但是受制于進(jìn)口技術(shù)的高額費(fèi)用，一臺智能包裝機(jī)器人的成本仍然居高不下。因此只有盈利能力強(qiáng)的行業(yè)巨頭如蒙牛、達(dá)利園、青島啤酒、農(nóng)夫山泉等公司才會愿意采購價(jià)格昂貴的智能包裝機(jī)器人大規(guī)模用于自動化生產(chǎn)及智能包裝，而這些國內(nèi)行業(yè)巨頭也基本都處于行業(yè)壟斷地位。中小型企業(yè)考慮設(shè)備成本和人工成本的控制問題，會選擇技術(shù)含量低售價(jià)不高的包裝機(jī)器人。機(jī)器人核心技術(shù)壁壘和高昂成本是制約包裝機(jī)器人發(fā)展的主要因素，另外，隨著新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，制造業(yè)對特殊用途包裝機(jī)器人的需求也越來越嚴(yán)格，現(xiàn)有技術(shù)跟不上市場需求也是一大重要因素。

五、結(jié)語

應(yīng)用智能包裝機(jī)器人大大提高了包裝效率，企業(yè)產(chǎn)值快速提升，包裝行業(yè)對智能包裝機(jī)器人的需求也在不斷增加。國內(nèi)企業(yè)選擇在國外設(shè)立研究所或者與西方智能自動化解決方案提供商進(jìn)行合作研發(fā)，如工業(yè)機(jī)器人四大家族之一的德國庫卡機(jī)器人集團(tuán)被我國的美的集團(tuán)收購，庫卡轉(zhuǎn)型進(jìn)軍用于電子制造，物流運(yùn)輸和包裝等領(lǐng)域的機(jī)器人，國產(chǎn)包裝機(jī)器人發(fā)展加快。

我國在5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等方面的技術(shù)已經(jīng)領(lǐng)先其他國家，且國家也已經(jīng)出臺了支持高新技術(shù)發(fā)展的多項(xiàng)政策。建議企業(yè)間相互協(xié)作，將最新技術(shù)引入智能包裝機(jī)器人技術(shù)研究，盡快制造出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)高端智能包裝機(jī)器人，加快推進(jìn)包裝市場的發(fā)展。未來，隨著包裝機(jī)器人技術(shù)門檻降低，包裝機(jī)器人會越來越智能，包裝產(chǎn)業(yè)將會迎來革命性的變化，我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展動力將更加強(qiáng)勁。