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
“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。”尤海姆顧問橫山先生說道。“通過集成人工智能和糕點(diǎn)師的專業(yè)知識,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。
在開發(fā) Theo 機(jī)器人的同時(shí),公司計(jì)劃在名古屋的榮購物街區(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)過進(jìn)一步開發(fā)的 Theo,構(gòu)成一個(gè)全自動(dòng)的年輪蛋糕工作室。
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)專業(yè)人員。Theo 借助人工智能復(fù)制了專業(yè)人員的技能。為了順利完成這項(xiàng)史無前例的任務(wù),尤海姆選擇了 Matsuura Denkosha 工程公司作為其合作開發(fā)伙伴。這家公司不僅擁有人工智能專業(yè)知識,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。所有組件都由一臺搭載 Intel® Core™ i7 處理器的倍福 C6030 超緊湊型工業(yè) PC 控制,并通過 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),然后開啟烘烤過程。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)器人開始在芯棒上涂抹面團(tuán),并逐層涂抹?鞠渲袑(shí)施的人工智能功能會(huì)自動(dòng)監(jiān)測這一過程,確保高精度烘烤。
“倍福工業(yè) PC 和 TwinCAT 軟件的優(yōu)勢在于通過集成 EtherCAT 和 Windows 實(shí)時(shí)控制整個(gè)過程。”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)以及門的開關(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。
AI 推理和 TwinCAT PLC 整合在同一個(gè)平臺上
AI 功能作為 Windows 應(yīng)用程序,與 TwinCAT 一起在同一臺工業(yè) PC 上運(yùn)行。“我們使用多模態(tài) AI 技術(shù)監(jiān)測年輪蛋糕的質(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?/p>
倍福 C6030 工業(yè) PC 通過 TwinCAT 控制輸送系統(tǒng)和烤箱門;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
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)師的專業(yè)烤制過程。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),并打開門,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。”北野先生說道。
在 Baum Haus 的試運(yùn)營期間,工程師對系統(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 開發(fā)平臺,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)營活動(dòng),松本先生解釋道:“我們正在開發(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發(fā)伙伴 Matsuura Denkosha 將繼續(xù)為我們在烘焙領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)雄心壯志和創(chuàng)新方案提供最佳支持。”