工業機器人在包裝行業的應用研究

文/上海杉達學院機電工程學院 李磊磊

引言

作為制造大國，我國的機器人行業已經取得了跨越式的大發展，國產機器人技術也已日趨成熟并得到了廣泛的應用。在國內人口老齡化加速與勞動力成本不斷攀升的背景下，建設智能制造工廠將是大勢所趨。消費品種類不斷增多，包裝需求急速增加，這也加速了包裝機器人的普及進程。隨著智能包裝技術在制造業包裝場景下逐步的發展，依托大數據、人工智能、IOT（Internet of Things）等核心技術的進步，包裝機器人產品也在加快迭代升級。技術的進步和不斷完善不僅促進了包裝行業的快速發展，還給行業帶來了更加豐厚的經濟價值。

一、智能包裝機器人市場占有率逐步提高

市場需求推動技術進步。改革開放以來，特別是我國加入世界貿易組織之后，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，人們更關注產品的包裝質量，而不僅僅是產品本身。

包裝機器人主要集中應用在食品、醫藥、服裝、生鮮等這些物料質量較小、數量巨大、要求更嚴格的使用場景。隨著新興技術的不斷出現、人們環保意識的提高和特殊包裝材料對包裝技術要求逐漸提高，如何更好地滿足特殊物料的包裝要求，保護好產品的安全，成為行業目前急需攻關的課題，而機器人則成為了解決問題的關鍵[1]。

20世紀中葉以來，智能包裝機器人在西方發達國家得到政府的高度重視和行業內廣泛的應用，西方國家得益于包裝自動化生產線技術的領先和率先應用，出現了數量龐大的行業巨頭，甚至形成了行業的壟斷。比如可口可樂、寶潔、卡夫亨氏、聯合利華、雀巢等公司都成了行業內的巨頭，占據全球大部分市場份額。相比之下，我國本土公司的包裝機器人產業發展較晚，跟發達國家的技術相比，還有很大的差距。眾多種類的包裝機器人在我國的研發和應用仍處于發展階段，我國的商業公司仍需要進口國外的先進設備來滿足生產包裝的需求。

隨著全球一體化進程的加快，中國公司的質優價廉的產品受到全世界人民的喜愛。面對來自全球的巨量訂單需求，先進的包裝機器人成為行業發展必不可少的有力引擎，包裝機器人市場份額也在不斷擴大，特別是能夠滿足更多使用場景的智能包裝機器人有著更廣闊的發展前景。

二、包裝機器人的關鍵技術

包裝機器人硬件主要由光源、氣動設備、工業相機和鏡頭、線纜和控制柜組成。光源的應用，可以提高識別區域目標的對比度，有利于提高機器人視覺系統的識別正確率。在機器人系統部署之初對機器人視覺系統的校準和訓練進一步提高了識別精度，機器人運行過程中由機器視覺系統來進行定位和圖像識別與處理，優化自動包裝碼垛正確率，如圖1、圖2所示。

圖1 機器人結構圖

圖2 機器視覺系統工作圖

（一）機器視覺定位技術

使用機器視覺系統的包裝機器人，在投入使用前首先要進行相機標定。通過旋轉和移動機械臂來調整相機與工作臺的相對位置，使相機與機器人建立通信。機器視覺系統將相機的像素坐標與機器人的世界坐標系進行轉換[2]，并自動計算偏差，系統算法會將相機坐標與機器人坐標進行統一，將機器人的世界坐標系轉換為相機的坐標體系，標定好的相機則在以后使用過程中基本不需要再做調整。

機器視覺定位技術主要是結合標定好的相機坐標，通過相機拍攝的圖片進行圖片識別，提取圖像記錄的像素坐標并自動計算出工件空間坐標，再結合空間模型成像的技術來進行相應的定位。

（二）圖像處理與目標識別技術

圖像的獲取是至關重要的第一步。一般選用靈敏度高、功耗低、具有較高成像質量的圖像傳感器。光源的作用是提高亮度，使需要被觀察的目標特征與周圍的區域特征產生最大的對比度，幫助圖像傳感器獲取更清晰的圖像。圖像處理系統對相機和傳感器獲取的圖片進行數字處理。主要方式為去噪、復原、提取特征等，將圖片信息轉換成數字信息，通過工控機做進一步處理。研發人員利用圖像處理技術對獲取的圖片進行二值化。（圖像二值化是將圖像上的像素點的灰度值設置成0或255，將256個亮度等級的灰度圖像通過適當的閾值選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）。經過圖像二值化過的圖片數據量大大減少，更有利于進一步處理。

根據處理過的樣本圖像特征，機器視覺系統通過相機實時拍照獲取未知目標，將未知目標群落與樣本特征進行比較并快速做出決策，具有相同特征的目標會被系統判定并標記為同類目標，即實現目標識別。

三、包裝機器人在食藥行業的應用

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

這些年來，社會上報道的食品安全事故層出不窮。國家出臺了相應的國家標準，要求生產廠家按照國標進行生產和包裝。政府有關部門也在完善更多規范條例，加強對食品生產、包裝以及運輸等各方面的監管。如使用安全認證體系，二維碼和條形碼等電子標簽實現對生產包裝過程的溯源，食品包裝內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。市場上也出現了針對不同物料包裝用途的包裝機器人。如在吐司小面包的包裝場景下，生產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。包裝機器人將包裝袋撐開，吐司小面包被推桿推到包裝袋內，并由包裝袋下面的支撐傳送桿送到下一個工位。氣調包裝機器人的氣閥控制包裝袋內氣體填充速度，填充足夠的保護氣體，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，由碼垛機器人進行裝箱和封箱。各個部分相互協作達到高速處理效果，全程采用包裝自動化高速處理技術極大地提高了食品安全性和產量。從生產到銷售，產品可在更短的時間內到達消費者手中，消費者能吃到新鮮安全的食品。同樣，如廣受消費者喜歡的三只松鼠每日堅果禮盒，該產品采用新型干濕分離式包裝機器人操作，實現一個包裝袋內可以分別裝堅果和果干兩部分，封口操作后仍是一個完整的包裝袋。

隨著全球醫藥市場需求的不斷擴大，包裝機器人在醫藥行業的應用也越來越廣。作為關系人們生命安全的救命藥，為了保護藥品的安全和功效，同時也為了減少人工裝瓶裝箱帶來的細菌感染，無菌醫藥包裝機器人陸續投入到藥品的包裝裝箱過程中。多數藥品屬于化學物質，對保存環境要求很高。藥品的包裝主要是保護藥品的功效，避免感染或者變質，如果包裝不當，很容易發生質變，致使患者病情加重甚至失去生命，釀成慘劇。由于要經過生產、運輸、儲存等多個環節，到患者使用的時候，會經歷相當長的時間，因此保護藥品在各個環節的安全至關重要。

有的制藥設備企業研發了裝瓶操作線上的機器人[3]，例如針對某些過敏藥片，機器人可以自動進行無菌分裝，裝好的藥瓶會被傳送到下一個工位進行保護氣體填充和瓶口保護膜密封處理。過敏藥片可以存儲更久的時間并能最大程度的保護藥品的功效。這種智能協作型藥品包裝機器人相較傳統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上有著不可替代的保障。隨著醫藥包裝行業的快速發展以及包裝設備的高端化發展需求，智能化、超級計算機及5G技術等先進技術正在催生新一代智能醫藥包裝機器人的出現。

四、制約我國包裝機器人發展的因素

智能包裝機器人涉及到機器視覺、傳感器、通信、機械、控制和芯片等領域，而這些核心技術還很大程度上依賴國外技術和關鍵零部件。雖然有些零部件已經實現了國產化，但是性能和質量還存在較大差距[4]，從而只能應用在一些低端機器上。國內集成公司大多從國外直接進口智能包裝機器人及配套自動化生產線，消化吸收后再次進行組裝。但是受制于進口技術的高額費用，一臺智能包裝機器人的成本仍然居高不下。因此只有盈利能力強的行業巨頭如蒙牛、達利園、青島啤酒、農夫山泉等公司才會愿意采購價格昂貴的智能包裝機器人大規模用于自動化生產及智能包裝，而這些國內行業巨頭也基本都處于行業壟斷地位。中小型企業考慮設備成本和人工成本的控制問題，會選擇技術含量低售價不高的包裝機器人。機器人核心技術壁壘和高昂成本是制約包裝機器人發展的主要因素，另外，隨著新興產業的快速發展，制造業對特殊用途包裝機器人的需求也越來越嚴格，現有技術跟不上市場需求也是一大重要因素。

五、結語

應用智能包裝機器人大大提高了包裝效率，企業產值快速提升，包裝行業對智能包裝機器人的需求也在不斷增加。國內企業選擇在國外設立研究所或者與西方智能自動化解決方案提供商進行合作研發，如工業機器人四大家族之一的德國庫卡機器人集團被我國的美的集團收購，庫卡轉型進軍用于電子制造，物流運輸和包裝等領域的機器人，國產包裝機器人發展加快。

我國在5G、物聯網、人工智能等方面的技術已經領先其他國家，且國家也已經出臺了支持高新技術發展的多項政策。建議企業間相互協作，將最新技術引入智能包裝機器人技術研究，盡快制造出具有自主知識產權的國產高端智能包裝機器人，加快推進包裝市場的發展。未來，隨著包裝機器人技術門檻降低，包裝機器人會越來越智能，包裝產業將會迎來革命性的變化，我國的經濟發展動力將更加強勁。