當被問及日本國內常用的機器人有哪些時，多數人想到的可能會是製造工廠內使用的大型機器人、協作機器人（cobots）以及酒店服務機器人和護理機器人。擁有 100 多年曆史的尤海姆（Juchheim）公司近日發布了一款新穎的食品加工解決方案。“Theo”機器人可以烤製出高品質的巴姆庫漢年輪蛋糕，它由一台安裝有 TwinCAT 軟件的倍福超緊湊型工業 PC 控製，並通過一個人工智能（AI）應用程序提供支持。Matsuura Denkosha 工程公司為控製係統的開發提供技術支撐，包括整合 Denso Wave 機器人。
在塗抹一層新的蛋糕糊後精確地撇去多餘蛋糕糊的動作，也需要通過 AI 推理來“學習”
尤海姆集團成立於 1909 年，自 1922 年起在日本經營，總部設在神戶，它是日本曆史最悠久的年輪蛋糕專門店，目前在日本已擁有超過 350 家jia分fen店dian，他ta們men生sheng產chan的de蛋dan糕gao不bu僅jin在zai日ri本ben本ben土tu銷xiao售shou，還hai銷xiao往wang新xin加jia坡po等deng地di。巴ba姆mu庫ku漢han年nian輪lun蛋dan糕gao起qi源yuan於yu德de國guo，因yin切qie麵mian是shi一yi圈quan圈quan的de環huan環huan相xiang繞rao，像xiang樹shu木mu年nian輪lun而er得de名ming，也ye是shi風feng靡mi日ri本ben的de人ren氣qi糕gao點dian之zhi一yi。自zi公gong司si成cheng立li以yi來lai，尤you海hai姆mu的de糕gao點dian師shi們men一yi直zhi按an照zhao同tong樣yang的de配pei方fang烤kao製zhi這zhe種zhong不bu含han任ren何he食shi品pin添tian加jia劑ji的de美mei味wei食shi品pin。
基於 PC 的控製技術和人工智能確保尤海姆可以在其所有店麵提供相同品質的年輪蛋糕
“烤製年輪蛋糕需要糕點師擁有高超的技藝和豐富的經驗。”youhaimuzhongyanggongchangzongjinglisongbenxianshengqiangtiaodao。dangran，ruguokeyiyuanchengcaijiheshezhikaoxiangcanshu，bingjingquexianshihongkaowendu，nameyouhaimudangaodiandegaodianshimenjiukeyiyuanchengkongzhibendishebei，zhizuochudingjinianlundangao。“Theo 機器人幫助尤海姆又往前邁了一大步。”尤海姆顧問橫山先生說道。“通過集成人工智能和糕點師的專業知識，可以在世界任何地方製作出相同品質的尤海姆年輪蛋糕。第一個提出建造 Theo 機器人的想法的人是尤海姆總裁 Hideo Kawamoto。”鬆本先生補充道。
在開發 Theo 機器人的同時，公司計劃在名古屋的榮購物街區建造一個以食品創新為主題的“Baum Haus”建築綜合體。綜合體內有一個透明的烘焙工作室，結合經過進一步開發的 Theo，構成一個全自動的年輪蛋糕工作室。
基於 PC 的控製技術助力製作完美的 13 層蛋糕麵糊層
年輪蛋糕製作過程本身很簡單：將(jiang)蛋(dan)糕(gao)麵(mian)糊(hu)均(jun)勻(yun)地(di)澆(jiao)在(zai)旋(xuan)轉(zhuan)的(de)芯(xin)棒(bang)上(shang)，然(ran)後(hou)放(fang)入(ru)烤(kao)箱(xiang)烤(kao)，當(dang)烤(kao)至(zhi)七(qi)成(cheng)熟(shu)之(zhi)後(hou)，再(zai)裹(guo)上(shang)一(yi)層(ceng)蛋(dan)奶(nai)糊(hu)繼(ji)續(xu)烤(kao)製(zhi)，就(jiu)這(zhe)樣(yang)周(zhou)而(er)複(fu)始(shi)，直(zhi)到(dao)均(jun)勻(yun)烤(kao)製(zhi)所(suo)有(you) 13 層。
在(zai)烘(hong)烤(kao)前(qian)，必(bi)須(xu)將(jiang)盛(sheng)蛋(dan)糕(gao)麵(mian)糊(hu)的(de)容(rong)器(qi)和(he)芯(xin)棒(bang)運(yun)送(song)並(bing)推(tui)入(ru)到(dao)烤(kao)箱(xiang)中(zhong)，這(zhe)個(ge)步(bu)驟(zhou)通(tong)常(chang)由(you)操(cao)作(zuo)人(ren)員(yuan)完(wan)成(cheng)，但(dan)也(ye)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)輸(shu)送(song)帶(dai)和(he)機(ji)械(xie)臂(bi)輕(qing)鬆(song)實(shi)現(xian)這(zhe)一(yi)步(bu)驟(zhou)的(de)自(zi)動(dong)化(hua)。但(dan)烘(hong)烤(kao)本(ben)身(shen)需(xu)要(yao)一(yi)個(ge)專(zhuan)業(ye)人(ren)員(yuan)。Theo 借助人工智能複製了專業人員的技能。為了順利完成這項史無前例的任務，尤海姆選擇了 Matsuura Denkosha 工程公司作為其合作開發夥伴。這家公司不僅擁有人工智能專業知識，而且在控製關節型機器人方麵也擁有豐富的經驗。“年輪蛋糕工廠由三個 Theo 機器人、一個垂直關節機器人和一個輸送盛放蛋糕麵糊的容器和芯棒的輸送帶組成。”Matsuura Denkosha 公司總經理北野先生解釋說。所有組件都由一台搭載 Intel® Core™ i7 處理器的倍福 C6030 超緊湊型工業 PC 控製，並通過 EtherCAT 通信。
Baum Haus 內nei設she置zhi的de高gao科ke技ji蛋dan糕gao房fang幾ji乎hu是shi全quan自zi動dong化hua生sheng產chan。操cao作zuo人ren員yuan隻zhi需xu要yao準zhun備bei好hao年nian輪lun蛋dan糕gao麵mian糊hu和he芯xin棒bang，將jiang它ta們men放fang在zai輸shu送song帶dai上shang，並bing在zai控kong製zhi麵mian板ban上shang選xuan擇ze三san個ge烤kao箱xiang中zhong的de一yi個ge，然ran後hou開kai啟qi烘hong烤kao過guo程cheng。隨sui後hou，輸shu送song帶dai自zi動dong將jiang盛sheng放fang麵mian團tuan的de容rong器qi和he芯xin棒bang運yun送song至zhi指zhi定ding位wei置zhi。機ji器qi人ren拾shi取qu容rong器qi和he芯xin棒bang，將jiang它ta們men放fang在zai烤kao箱xiang前qian麵mian。然ran後hou，機ji器qi人ren開kai始shi在zai芯xin棒bang上shang塗tu抹mo麵mian團tuan，並bing逐zhu層ceng塗tu抹mo。烤kao箱xiang中zhong實shi施shi的de人ren工gong智zhi能neng功gong能neng會hui自zi動dong監jian測ce這zhe一yi過guo程cheng，確que保bao高gao精jing度du烘hong烤kao。
“倍福工業 PC 和 TwinCAT 軟件的優勢在於通過集成 EtherCAT 和 Windows 實時控製整個過程。”北野先生解釋道。在這個係統中，TwinCAT 3 PLC 使用與機器人運動精確同步的 EtherCAT 驅動器和電機控製輸送帶、烤箱的旋轉以及門的開關。此外，工業 PC 具有高可擴展性，因此，尤海姆自己的 Windows 應用程序可以用作可行的遠程係統維護解決方案。倍福的 I/O 組件也發揮了重要作用，集成大量的傳感器和相機。緊湊的外殼和種類繁多的 EtherCAT I/O 能夠幫助係統集成商節省控製櫃空間，最大限度地降低工程複雜性。
AI 推理和 TwinCAT PLC 整合在同一個平台上
AI 功能作為 Windows 應用程序，與 TwinCAT 一起在同一台工業 PC 上運行。“我們使用多模態 AI 技術監測年輪蛋糕的質量。”北bei野ye先xian生sheng指zhi出chu。為wei此ci，每mei個ge烤kao箱xiang前qian都dou安an裝zhuang了le高gao性xing能neng相xiang機ji，以yi捕bu獲huo蛋dan糕gao表biao麵mian的de圖tu像xiang。這zhe些xie數shu據ju與yu其qi它ta傳chuan感gan器qi數shu據ju相xiang連lian，包bao括kuo輻fu射she高gao溫wen計ji中zhong的de數shu據ju。AI 模型基於卷積神經網絡（CNN），以前它是在一個單獨的環境中用 Python 進行訓練。它在標準工業 PC 中作為一個 Windows 應用程序實施。
倍福 C6030 工業 PC 通過 TwinCAT 控製輸送係統和烤箱門；訓練好的 AI 模型也在安裝有 Windows 操作係統的同一設備上運行
隨sui著zhe蛋dan糕gao坯pi料liao層ceng數shu的de增zeng加jia，年nian輪lun蛋dan糕gao的de直zhi徑jing也ye會hui增zeng加jia，各ge種zhong參can數shu也ye會hui相xiang應ying發fa生sheng變bian化hua，如ru與yu烤kao箱xiang壁bi的de距ju離li和he達da到dao完wan美mei烘hong烤kao蛋dan糕gao坯pi料liao層ceng所suo需xu的de烘hong烤kao時shi間jian。年nian輪lun蛋dan糕gao的de製zhi作zuo過guo程cheng極ji其qi繁fan瑣suo，需xu要yao仔zai細xi監jian測ce烘hong烤kao條tiao件jian，確que保bao在zai最zui佳jia時shi間jian內nei將jiang每mei層ceng蛋dan糕gao坯pi料liao從cong烤kao箱xiang中zhong取qu出chu。此ci外wai，必bi須xu用yong刮gua刀dao抹mo平ping每mei層ceng蛋dan糕gao坯pi料liao的de表biao麵mian，以yi便bian讓rang年nian輪lun蛋dan糕gao具ju有you其qi特te有you的de圓yuan筒tong形xing狀zhuang。
係統通常需要五到六個批次的年輪蛋糕才能再現糕點師的專業烤製過程。一個批次需要 30 分鍾的烤製時間，因此采集數據的總時間約為約 3 小時。“在這個有限的數據量基礎上，訓練 AI 模型需要約 20 小時的時間，包括最後的測試。”北野先生解釋道。
Theo 在運行期間實時檢查相機的圖像數據以及其它傳感器數據，以測定年輪蛋糕的質量：當一個蛋糕麵糊層處於最佳狀態時，這一信息將被反饋到控製係統中。隨後，TwinCAT 停(ting)止(zhi)蛋(dan)糕(gao)麵(mian)糊(hu)管(guan)的(de)旋(xuan)轉(zhuan)運(yun)動(dong)，並(bing)打(da)開(kai)門(men)，這(zhe)樣(yang)機(ji)器(qi)人(ren)就(jiu)可(ke)以(yi)取(qu)出(chu)年(nian)輪(lun)蛋(dan)糕(gao)。從(cong)將(jiang)數(shu)據(ju)輸(shu)入(ru)到(dao)訓(xun)練(lian)好(hao)的(de)模(mo)型(xing)，包(bao)括(kuo)推(tui)理(li)輸(shu)出(chu)，直(zhi)到(dao)反(fan)饋(kui)至(zhi)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)，總(zong)共(gong)花(hua)費(fei)的(de)時(shi)間(jian)約(yue)為(wei) 100 至 200 毫秒。“由於 AI 推理和 PLC 控製集成在同一個倍福工業 PC 控製平台上，因此 AI 應用能夠實現這種超快的響應時間。”北野先生說道。
另一個技術挑戰是將相同量的蛋糕麵糊不斷澆在蛋糕坯料卷上。為此，TwinCAT 被(bei)用(yong)來(lai)控(kong)製(zhi)旋(xuan)轉(zhuan)芯(xin)棒(bang)的(de)最(zui)佳(jia)位(wei)置(zhi)和(he)角(jiao)度(du)，以(yi)便(bian)讓(rang)機(ji)器(qi)人(ren)能(neng)夠(gou)給(gei)給(gei)每(mei)層(ceng)都(dou)澆(jiao)上(shang)同(tong)等(deng)厚(hou)度(du)的(de)蛋(dan)糕(gao)麵(mian)糊(hu)。相(xiang)對(dui)於(yu)手(shou)工(gong)製(zhi)作(zuo)，這(zhe)樣(yang)能(neng)夠(gou)最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)降(jiang)低(di)原(yuan)料(liao)損(sun)耗(hao)，顯(xian)著(zhu)降(jiang)低(di)生(sheng)產(chan)成(cheng)本(ben)。“從這個角度來看，Theo 是一個比糕點師更好的年輪蛋糕大師。”橫heng山shan先xian生sheng微wei笑xiao著zhe指zhi出chu。除chu了le烘hong培pei之zhi外wai，其qi它ta條tiao件jian必bi須xu保bao持chi穩wen定ding，才cai能neng保bao證zheng質zhi量liang的de穩wen定ding性xing，也ye就jiu是shi說shuo，蛋dan糕gao麵mian糊hu的de配pei比bi始shi終zhong都dou應ying該gai是shi相xiang同tong的de。“如果蛋糕麵糊的配方有變化，訓練好的模型就不再能夠完美地工作了。”橫山先生繼續說道。這時就需要與糕點師合作，根據修改後的蛋糕麵糊配方創建一個新的推理模型。
控製係統的高靈活性助力輕鬆實現優化
在 Baum Haus 的試運營期間，工程師對係統配置進行了優化，修改了安全光幕的位置和輸送帶的布局，以改進操作人員的工作流程。EtherCAT 可以自由選擇網絡拓撲結構，因此可以輕鬆做到這一點。由於采用了靈活的 TwinCAT 開發平台，因此也可以直接配置係統更新。
Baum Haus 是全球唯一一個擁有配備了 AI 烤箱、輸送帶和機器人的自動化年輪蛋糕工作室的建築綜合體。另一方麵，多台配備 AI 功能和 Theo 機(ji)器(qi)人(ren)的(de)獨(du)立(li)烤(kao)箱(xiang)目(mu)前(qian)正(zheng)在(zai)日(ri)本(ben)多(duo)家(jia)門(men)店(dian)投(tou)入(ru)使(shi)用(yong)，甚(shen)至(zhi)可(ke)以(yi)用(yong)作(zuo)移(yi)動(dong)式(shi)年(nian)輪(lun)蛋(dan)糕(gao)店(dian)。此(ci)外(wai)，尤(you)海(hai)姆(mu)還(hai)在(zai)擴(kuo)大(da)其(qi)經(jing)營(ying)活(huo)動(dong)，鬆(song)本(ben)先(xian)生(sheng)解(jie)釋(shi)道(dao)：“我們正在開發一種用於烤製巧克力蛋糕麵糊的模型和一種配備緊湊型垂直多關節型機械手臂的係統。倍福和我們的合作開發夥伴 Matsuura Denkosha 將繼續為我們在烘焙領域實現雄心壯誌和創新方案提供最佳支持。”
尤海姆顧問橫山先生（左）和尤海姆中央工廠總經理鬆本先生采用倍福技術將糕點師的年輪蛋糕專業知識整合到軟件中
關於德國倍福
倍福（Beckhoff）是一家專注於自動化新技術的德資企業，創立於 1980 年(nian)，總(zong)部(bu)位(wei)於(yu)德(de)國(guo)威(wei)爾(er)市(shi)。作(zuo)為(wei)全(quan)球(qiu)自(zi)動(dong)化(hua)技(ji)術(shu)的(de)驅(qu)動(dong)者(zhe)，倍(bei)福(fu)定(ding)義(yi)了(le)自(zi)動(dong)化(hua)領(ling)域(yu)的(de)許(xu)多(duo)標(biao)準(zhun)，是(shi)國(guo)際(ji)標(biao)準(zhun)的(de)製(zhi)定(ding)者(zhe)和(he)推(tui)動(dong)者(zhe)。公(gong)司(si)所(suo)生(sheng)產(chan)的(de)工(gong)業(ye) PC、現場總線模塊、驅動產品和 TwinCAT 自動化軟件構成了一套完整的、相互兼容的控製係統，可為各個工控領域提供開放式自動化係統和完整的解決方案。經過 40 年的發展和努力，倍福已在世界各地設立 30 多家分支機構，加上全球的合作夥伴，業務遍及 70 多個國家和地區。
倍福於 1997 年進入中國市場，中國區總部落戶於上海市北高新產業園區，現有員工 300 人，辦事處遍及國內 30 座大中城市。創新產品和解決方案廣泛應用於風力發電、半導體、光伏太陽能、電子製造、金屬加工、包裝機械、印刷機械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機械、物流輸送以及樓宇自動化等眾多領域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實時工業以太網於 2014 年成為中國國家推薦性標準，並已入編工信部的《國家智能製造標準體係建設指南》。作為一家技術驅動型公司，倍福一直注重在技術上尋求突破創新，在業內享有“創新引擎”的美譽。倍福基於 PC 的控製技術具有良好的開放性，它支持所有主流的工業通信協議，將 IT 技術、互聯網和自動化技術完美融合在一起，為實現工業 4.0 和智能製造奠定了堅實的技術基礎。
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