Progresele în diverse domenii tehnologice în ultimele două decenii au transformat roboții din ficțiune în realitate, aflându-se în categoria automatizărilor industriale. La rândul lor, cerințele presante de productivitate sporită au necesitat implementarea robotului pentru a automatiza sarcinile. Astăzi, roboții sunt considerați parte integrantă a industriilor. Dar, cum evoluează această piață? Pentru a da un răspuns, vom face referire la studiul cu titlul ”Prospects of robotics in food industry”, publicat sub egida Universității Tehnice din Munchen.

Ambalarea, pe primul plan

În industria alimentară, utilizarea anterioară a roboților a fost limitată la ambalarea alimentelor și paletizarea în produse lactate, băuturi, ciocolată și cutii alimentare. În 1998, lansarea robotului Flex Picker a revoluționat industria alimentară, deoarece este cel mai rapid robot de alegere și plasare din lume. Beneficiile potențiale ale încorporării roboților în automatizare includ eficiența operațională îmbunătățită, reducerea mișcărilor materialelor și a activității vehiculului și reducerea etapelor în proces.

Fabricile de producție și procesare a alimentelor folosesc acum soluții de automatizare rentabile pentru un volum de producție mai mare în comparație cu procesele convenționale. Deoarece dependența de munca manuală este considerată acum un concept clasic, se acordă mai multă preferință instalației robotizate de manipulare/producție.

Exemplele comune includ aplicații de ridicare, amplasare, ambalare și paletizare. Ultimele două aplicații sunt cele mai frecvente, așa cum evidențiază un studiu detaliat realizat de cercetători germani (Buckenhüskes & Oppenhäuser, 2014). În procesarea cărnii și detectarea automată a calității produsului final, atât din carne cât și lactate, sunt utilizate diverse sisteme robotizate.

Cerințe în industria alimentară

De fapt, depinde de mai mulți factori, cum ar fi nivelul de automatizare efectuat, numărul de roboți desfășurați și variația produsului ca urmare a schimbării cerințelor clienților. Tendința recentă arată că pentru industria alimentară, investițiile în automatizarea robotică sunt esențiale pentru a aborda provocările competitive prin protejarea viitorului afacerilor și reducerea impactului asupra degradării mediului.

O analiză detaliată a cerințelor în industria alimentară este esențială. Condiția necesară pentru a personaliza un robot de uz general ține de cinematică, dinamică și control. O mare parte a aplicațiilor robotice în industria alimentară este realizată de roboții în serie cu structură articulată vertical.

Cealaltă clasă de roboți este în prezent mai comună și se bazează conceptual pe cinematica paralelă. Un exemplu de robot în serie este manipulatorul AUTonomous Articulated Robotic Educational Platform (AUTAREP), care este un cadru multi-DOF nou și pseudo-industrial.

Despre modele

Unul dintre primii pași pentru dezvoltarea unei aplicații pentru robot este derivarea modelelor sale cinematice și dinamice. Spre deosebire de manipulatoarele în serie, soluția directă în PKM nu poate fi obținută analitic. Astfel, au fost folosite metode de calcul și soluții multiple sunt comune.

Atât în ​​sistemele robotice în serie, cât și în paralel, modelele dinamice sunt necesare pentru a prezice forțele de acționare pentru sarcinile cu efectul final. Dinamica inversă este critică, deoarece evaluează cuplurile/forțele de acționare necesare pentru a genera traiectoria dorită. Cei doi algoritmi obișnuiți pentru derivarea dinamicii includ Euler-Lagrange și Newton-Euler.

Controlul și dexteritatea manipulatorilor industriali sunt vitale pentru îndeplinirea sarcinilor care necesită precizie ridicată, repetabilitate și fiabilitate prin atenuarea efectelor perturbărilor. Abordările banale de control au fost principalul cal de bătaie al industriei, timp de decenii. Cu toate acestea, într-un mediu operațional extrem de incert, este necesară o strategie de control sofisticată.

Igiena și siguranța alimentară

Siguranța alimentară este o problemă capitală și este necesar ca produsele alimentare să nu fie atinse de oameni în timpul procesării lor, pentru a evita transmiterea germenilor și bacteriilor.

Pentru cerințe atât de stricte, proiectarea igienică a robotului manipulatoare trebuie să ofere un cadru pseudo-industrial open source și o reprezentare cinematică. Strategia de control neliniar prezintă o capacitate mai bună de respingere a perturbațiilor.

Sistemele și efectele finale sau clemele, sunt o necesitate în industria alimentară. Clemele roboților utilizați pentru aplicarea în manipularea alimentelor sunt spălate cu detergenți industriali și apă fierbinte sub presiune.

Productivitatea

Cererea de productivitate a crescut în domeniul pregătirii, manipulării și producției alimentelor, precum și în industria de servire a alimentelor. Principalul obiectiv al roboților este pregătirea și manipularea alimentelor. Vitezele operaționale rapide de pick and place sunt posibile datorită structurilor robotice extrem de agile și schemelor de control încorporate.

În acest fel, utilizarea roboților a depășit rata de producție manuală, bazată pe operator. Într-un mediu hibrid futurist de interacțiune umană cu robotul (HRI), există o nevoie strictă de standardizare a riscurilor (Khan și colab., 2014a). Conceptul predominant este acela de a izola complet sistemul robot de accesul lucrătorului uman. Robotul trebuie să fie capabil să evalueze situațiile de pericol pentru care integrarea senzorului inteligent este o necesitate.

Clasificarea roboților în industria alimentară

Roboții în industria alimentară sunt utilizați în principal pentru pick and place, cum ar fi manipularea alimentelor, ambalarea și paletizarea și pentru aplicații de servire a alimentelor. Iată-le descrise succint:

Alegerea și plasarea: Tendința majoră de a implementa roboți în transformarea proceselor tradiționale din industria alimentară se întâmplă în prezent în categoria de manipulare a alimentelor.

Exemple de roboți în acest scop includ două versiuni. Primul este un robot serial utilizat pentru transferul de sarcină utilă foarte solicitantă, în timp ce cel de-al doilea se bazează pe mecanismul PKM și este proiectat pentru asamblarea de mare capacitate, ridicarea și plasarea produselor pe tăvi, cutii de carton sau pentru alimentarea altor utilaje.

Roboți de ambalare și paletizare: În această categorie, roboții și aplicațiile au fost în mare parte standardizate. Deciziile sunt luate pe baza specificațiilor sarcinii utile și a gamei de vitezedisponibil. De exemplu, o soluție tipică permite producerea a 900 de saci (a câte 20 Kg fiecare) pe oră și apoi stivuirea acestora pentru a minimiza costurile de transport.

Roboți de servire: Industria de servire a alimentelor este cea mai nouă abordare a utilizării roboților în industria alimentară. Acesta este cel mai inovator domeniu care nu a fost valorificat pe deplin până acum. Deoarece aceasta se ocupă direct de comerțul cu amănuntul și consumatori, este văzută ca o schimbare interesantă a stilului de viață care implică o activitate recreativă și, prin urmare, necesită abordarea conceptelor de integrare a sistemului uman.

Provocări și oportunități

Performanța de neegalat a roboților pentru a îndeplini diverse sarcini în industria alimentară vine cu provocările pe care cercetătorii încă se străduiesc să le rezolve (Mueller et al., 2014). O tendință foarte recentă este aplicarea conceptului de Cyber ​​Physical System (CPS) în industria alimentară.

Conectând lumea fizică cu lumea virtuală, CPS este un domeniu de cercetare multidisciplinar recent bazat pe conceptul Internet of Thing (IoT) care găsește potențialul de a eficientiza lanțul de aprovizionare end-to-end în sectorul alimentar. CPS își poate juca rolul de a atinge cel mai înalt nivel de certitudine în ceea ce privește siguranța alimentară (Khan și colab., 2014b).

Comisia Europeană a identificat recent șapte domenii cheie care au un potențial enorm de a beneficia de infrastructură și instrumente legate de ingineria ciber-fizică (Henshaw & Barneveld, 2016). Industria alimentară împreună cu sectorul agricol sunt enumerate ca una dintre prioritățile în care se anticipează că CPS va avea un impact semnificativ în viitor.

Etapele de referință pe termen scurt pentru implicarea CPS includ:

• Siguranța alimentară îmbunătățită prin desfășurarea senzorilor pentru a scana boli și pentru a accesa prospețimea produsului
• Asistență igienă folosind mașini autonome

(iii)Agricultura de precizie prin folosirea de drone, senzori și starea actuală - mașini agricole de artă.

Roboții și etichetarea

Pe termen lung, întregul lanț de producție și aprovizionare va fi martor la comunicarea etichetelor inteligente ale alimentelor, astfel încât să ofere o perspectivă aprofundată asupra de unde provin exact alimentele. De asemenea, viitorul CPS în sectoare emergente, cum ar fi industria alimentară, va fi beneficiat de robotica cloud, așa cum se subliniază în (Chaâri et al., 2016).

Un sistem tipic bazat pe CPS pentru fabricarea alimentelor constă din trei elemente primare (Lee & Seshia, 2011); procesul mașinii de producție, procesul dispozitivului de câmp și procesul de control al producției. Din perspectiva hardware, un astfel de sistem de fabricare a alimentelor poate cuprinde roboți, controlere logice programabile (PLC), actuatoare, senzori, rețele și alte componente pentru a realiza sisteme de control al mișcării și viziune automată.

Algoritmii software se pot baza pe inteligența artificială (AI), rețelele neuronale, logica fuzzy și alte paradigme de învățare automată. Sistemele de trasabilitate alimentară bazate pe CPS pot minimiza calitatea proastă sau produsele nesigure în lanțul de aprovizionare. Un studiu recent raportat în (Chen, 2017) a propus un sistem de trasabilitate a alimentelor realizat prin integrarea arhitecturii CPS.

Inspirat de fog computing, noutatea soluției prezentate constă în CPS-ul inteligent bazat pe fluxuri de valori, care își propune să optimizeze evenimentele pentru urmărirea și urmărirea proceselor cu ajutorul unui mecanism colaborativ. Figura 8 ilustrează cadrul conceptual al mecanismului de urmărire propus.

Conceptul de CPS este acum aplicat pentru a aborda factorii care influențează indirect calitatea alimentelor. Un astfel de exemplu include prevenirea pătrunderii apei contaminate în lanțul de producție alimentară și sistemele de management al apei potabile.

Concluzii

Stadiul actual al tehnicii dezvăluie faptul că domeniul roboticii a crescut incredibil, în comparație cu sistemele de producție manuale. Se evidențiază că sectorul de servire a alimentelor are cel mai mare potențial de cercetare și dezvoltare.

Oportunitățile constau în fuziunea senzorilor, proiectarea CPS, HMI, soluții software de învățare și instruire a roboților, sisteme de viziune, reconfigurarea structurală a robotului și funcționarea roboților în timpul întreținerii.

Noile idei apar pe baza tehnologiilor favorabile care nu erau disponibile. Cerința urgentă este integrarea diferitelor tipuri de domenii tehnologice pentru a realiza soluții competitive și noi.