當(dāng)被問(wèn)及日本國(guó)內(nèi)常用的機(jī)器人有哪些時(shí)，多數(shù)人想到的可能會(huì)是制造工廠內(nèi)使用的大型機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人（cobots）以及酒店服務(wù)機(jī)器人和護(hù)理機(jī)器人。擁有 100 多年歷史的尤海姆（Juchheim）公司近日發(fā)布了一款新穎的食品加工解決方案。“Theo”機(jī)器人可以烤制出高品質(zhì)的巴姆庫(kù)漢年輪蛋糕，它由一臺(tái)安裝有 TwinCAT 軟件的倍福超緊湊型工業(yè) PC 控制，并通過(guò)一個(gè)人工智能（AI）應(yīng)用程序提供支持。Matsuura Denkosha 工程公司為控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐，包括整合 Denso Wave 機(jī)器人。
尤海姆集團(tuán)成立于 1909 年，自 1922 年起在日本經(jīng)營(yíng)，總部設(shè)在神戶，它是日本歷史最悠久的年輪蛋糕專(zhuān)門(mén)店，目前在日本已擁有超過(guò) 350 家分店，他們生產(chǎn)的蛋糕不僅在日本本土銷(xiāo)售，還銷(xiāo)往新加坡等地。巴姆庫(kù)漢年輪蛋糕起源于德國(guó)，因切面是一圈圈的環(huán)環(huán)相繞，像樹(shù)木年輪而得名，也是風(fēng)靡日本的人氣糕點(diǎn)之一。自公司成立以來(lái)，尤海姆的糕點(diǎn)師們一直按照同樣的配方烤制這種不含任何食品添加劑的美味食品。
“烤制年輪蛋糕需要糕點(diǎn)師擁有高超的技藝和豐富的經(jīng)驗(yàn)。”尤海姆中央工廠總經(jīng)理松本先生強(qiáng)調(diào)道。當(dāng)然，如果可以遠(yuǎn)程采集和設(shè)置烤箱參數(shù)，并精確顯示烘烤溫度，那么尤海姆蛋糕店的糕點(diǎn)師們就可以遠(yuǎn)程控制本地設(shè)備，制作出頂級(jí)年輪蛋糕。“Theo 機(jī)器人幫助尤海姆又往前邁了一大步。”尤海姆顧問(wèn)橫山先生說(shuō)道。“通過(guò)集成人工智能和糕點(diǎn)師的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，可以在世界任何地方制作出相同品質(zhì)的尤海姆年輪蛋糕。第一個(gè)提出建造 Theo 機(jī)器人的想法的人是尤海姆總裁 Hideo Kawamoto。”松本先生補(bǔ)充道。
在開(kāi)發(fā) Theo 機(jī)器人的同時(shí)，公司計(jì)劃在名古屋的榮購(gòu)物街區(qū)建造一個(gè)以食品創(chuàng)新為主題的“Baum Haus”建筑綜合體。綜合體內(nèi)有一個(gè)透明的烘焙工作室，結(jié)合經(jīng)過(guò)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的 Theo，構(gòu)成一個(gè)全自動(dòng)的年輪蛋糕工作室。
在涂抹一層新的蛋糕糊后精確地撇去多余蛋糕糊的動(dòng)作，也需要通過(guò) AI 推理來(lái)“學(xué)習(xí)”
基于 PC 的控制技術(shù)助力制作完美的 13 層蛋糕面糊層
年輪蛋糕制作過(guò)程本身很簡(jiǎn)單：將蛋糕面糊均勻地澆在旋轉(zhuǎn)的芯棒上，然后放入烤箱烤，當(dāng)烤至七成熟之后，再裹上一層蛋奶糊繼續(xù)烤制，就這樣周而復(fù)始，直到均勻烤制所有 13 層。
在烘烤前，必須將盛蛋糕面糊的容器和芯棒運(yùn)送并推入到烤箱中，這個(gè)步驟通常由操作人員完成，但也可以使用輸送帶和機(jī)械臂輕松實(shí)現(xiàn)這一步驟的自動(dòng)化。但烘烤本身需要一個(gè)專(zhuān)業(yè)人員。Theo 借助人工智能復(fù)制了專(zhuān)業(yè)人員的技能。為了順利完成這項(xiàng)史無(wú)前例的任務(wù)，尤海姆選擇了 Matsuura Denkosha 工程公司作為其合作開(kāi)發(fā)伙伴。這家公司不僅擁有人工智能專(zhuān)業(yè)知識(shí)，而且在控制關(guān)節(jié)型機(jī)器人方面也擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。“年輪蛋糕工廠由三個(gè) Theo 機(jī)器人、一個(gè)垂直關(guān)節(jié)機(jī)器人和一個(gè)輸送盛放蛋糕面糊的容器和芯棒的輸送帶組成。”Matsuura Denkosha 公司總經(jīng)理北野先生解釋說(shuō)。所有組件都由一臺(tái)搭載 Intel® Core? i7 處理器的倍福 C6030 超緊湊型工業(yè) PC 控制，并通過(guò) EtherCAT 通信。
Baum Haus 內(nèi)設(shè)置的高科技蛋糕房幾乎是全自動(dòng)化生產(chǎn)。操作人員只需要準(zhǔn)備好年輪蛋糕面糊和芯棒，將它們放在輸送帶上，并在控制面板上選擇三個(gè)烤箱中的一個(gè)，然后開(kāi)啟烘烤過(guò)程。隨后，輸送帶自動(dòng)將盛放面團(tuán)的容器和芯棒運(yùn)送至指定位置。機(jī)器人拾取容器和芯棒，將它們放在烤箱前面。然后，機(jī)器人開(kāi)始在芯棒上涂抹面團(tuán)，并逐層涂抹。烤箱中實(shí)施的人工智能功能會(huì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)這一過(guò)程，確保高精度烘烤。
“倍福工業(yè) PC 和 TwinCAT 軟件的優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)集成 EtherCAT 和 Windows 實(shí)時(shí)控制整個(gè)過(guò)程。”北野先生解釋道。在這個(gè)系統(tǒng)中，TwinCAT 3 PLC 使用與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精確同步的 EtherCAT 驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)控制輸送帶、烤箱的旋轉(zhuǎn)以及門(mén)的開(kāi)關(guān)。此外，工業(yè) PC 具有高可擴(kuò)展性，因此，尤海姆自己的 Windows 應(yīng)用程序可以用作可行的遠(yuǎn)程系統(tǒng)維護(hù)解決方案。倍福的 I/O 組件也發(fā)揮了重要作用，集成大量的傳感器和相機(jī)。緊湊的外殼和種類(lèi)繁多的 EtherCAT I/O 能夠幫助系統(tǒng)集成商節(jié)省控制柜空間，最大限度地降低工程復(fù)雜性。
基于 PC 的控制技術(shù)和人工智能確保尤海姆可以在其所有店面提供相同品質(zhì)的年輪蛋糕
AI 推理和 TwinCAT PLC 整合在同一個(gè)平臺(tái)上
AI 功能作為 Windows 應(yīng)用程序，與 TwinCAT 一起在同一臺(tái)工業(yè) PC 上運(yùn)行。“我們使用多模態(tài) AI 技術(shù)監(jiān)測(cè)年輪蛋糕的質(zhì)量。”北野先生指出。為此，每個(gè)烤箱前都安裝了高性能相機(jī)，以捕獲蛋糕表面的圖像。這些數(shù)據(jù)與其它傳感器數(shù)據(jù)相連，包括輻射高溫計(jì)中的數(shù)據(jù)。AI 模型基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），以前它是在一個(gè)單獨(dú)的環(huán)境中用 Python 進(jìn)行訓(xùn)練。它在標(biāo)準(zhǔn)工業(yè) PC 中作為一個(gè) Windows 應(yīng)用程序?qū)嵤?/span>
隨著蛋糕坯料層數(shù)的增加，年輪蛋糕的直徑也會(huì)增加，各種參數(shù)也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，如與烤箱壁的距離和達(dá)到完美烘烤蛋糕坯料層所需的烘烤時(shí)間。年輪蛋糕的制作過(guò)程極其繁瑣，需要仔細(xì)監(jiān)測(cè)烘烤條件，確保在最佳時(shí)間內(nèi)將每層蛋糕坯料從烤箱中取出。此外，必須用刮刀抹平每層蛋糕坯料的表面，以便讓年輪蛋糕具有其特有的圓筒形狀。
系統(tǒng)通常需要五到六個(gè)批次的年輪蛋糕才能再現(xiàn)糕點(diǎn)師的專(zhuān)業(yè)烤制過(guò)程。一個(gè)批次需要 30 分鐘的烤制時(shí)間，因此采集數(shù)據(jù)的總時(shí)間約為約 3 小時(shí)。“在這個(gè)有限的數(shù)據(jù)量基礎(chǔ)上，訓(xùn)練 AI 模型需要約 20 小時(shí)的時(shí)間，包括最后的測(cè)試。”北野先生解釋道。
Theo 在運(yùn)行期間實(shí)時(shí)檢查相機(jī)的圖像數(shù)據(jù)以及其它傳感器數(shù)據(jù)，以測(cè)定年輪蛋糕的質(zhì)量：當(dāng)一個(gè)蛋糕面糊層處于最佳狀態(tài)時(shí)，這一信息將被反饋到控制系統(tǒng)中。隨后，TwinCAT 停止蛋糕面糊管的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并打開(kāi)門(mén)，這樣機(jī)器人就可以取出年輪蛋糕。從將數(shù)據(jù)輸入到訓(xùn)練好的模型，包括推理輸出，直到反饋至控制系統(tǒng)，總共花費(fèi)的時(shí)間約為 100 至 200 毫秒。“由于 AI 推理和 PLC 控制集成在同一個(gè)倍福工業(yè) PC 控制平臺(tái)上，因此 AI 應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)這種超快的響應(yīng)時(shí)間。”北野先生說(shuō)道。
另一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)是將相同量的蛋糕面糊不斷澆在蛋糕坯料卷上。為此，TwinCAT 被用來(lái)控制旋轉(zhuǎn)芯棒的最佳位置和角度，以便讓機(jī)器人能夠給給每層都澆上同等厚度的蛋糕面糊。相對(duì)于手工制作，這樣能夠最大限度地降低原料損耗，顯著降低生產(chǎn)成本。“從這個(gè)角度來(lái)看，Theo 是一個(gè)比糕點(diǎn)師更好的年輪蛋糕大師。”橫山先生微笑著指出。除了烘培之外，其它條件必須保持穩(wěn)定，才能保證質(zhì)量的穩(wěn)定性，也就是說(shuō)，蛋糕面糊的配比始終都應(yīng)該是相同的。“如果蛋糕面糊的配方有變化，訓(xùn)練好的模型就不再能夠完美地工作了。”橫山先生繼續(xù)說(shuō)道。這時(shí)就需要與糕點(diǎn)師合作，根據(jù)修改后的蛋糕面糊配方創(chuàng)建一個(gè)新的推理模型。
倍福 C6030 工業(yè) PC 通過(guò) TwinCAT 控制輸送系統(tǒng)和烤箱門(mén)；訓(xùn)練好的 AI 模型也在安裝有 Windows 操作系統(tǒng)的同一設(shè)備上運(yùn)行
控制系統(tǒng)的高靈活性助力輕松實(shí)現(xiàn)優(yōu)化
在 Baum Haus 的試運(yùn)營(yíng)期間，工程師對(duì)系統(tǒng)配置進(jìn)行了優(yōu)化，修改了安全光幕的位置和輸送帶的布局，以改進(jìn)操作人員的工作流程。EtherCAT 可以自由選擇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此可以輕松做到這一點(diǎn)。由于采用了靈活的 TwinCAT 開(kāi)發(fā)平臺(tái)，因此也可以直接配置系統(tǒng)更新。
Baum Haus 是全球唯一一個(gè)擁有配備了 AI 烤箱、輸送帶和機(jī)器人的自動(dòng)化年輪蛋糕工作室的建筑綜合體。另一方面，多臺(tái)配備 AI 功能和 Theo 機(jī)器人的獨(dú)立烤箱目前正在日本多家門(mén)店投入使用，甚至可以用作移動(dòng)式年輪蛋糕店。此外，尤海姆還在擴(kuò)大其經(jīng)營(yíng)活動(dòng)，松本先生解釋道：“我們正在開(kāi)發(fā)一種用于烤制巧克力蛋糕面糊的模型和一種配備緊湊型垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)械手臂的系統(tǒng)。倍福和我們的合作開(kāi)發(fā)伙伴 Matsuura Denkosha 將繼續(xù)為我們?cè)诤姹侯I(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)雄心壯志和創(chuàng)新方案提供最佳支持。”
尤海姆顧問(wèn)橫山先生（左）和尤海姆中央工廠總經(jīng)理松本先生采用倍福技術(shù)將糕點(diǎn)師的年輪蛋糕專(zhuān)業(yè)知識(shí)整合到軟件中
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www.beckhoff.com/c6030
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