Varkensvlees uitbenen – met robots en artificiële intelligentie

Een nieuw, volledig geautomatiseerd systeem heeft ongeveer 40 seconden nodig om het heupbeen en het stuitbeen van de varkenspoot uit te benen. Het belangrijkste werk wordt gedaan door drie robots. Twee van hen positioneren het stuk vlees, de derde leidt het mes. Deze innovatieve en tot nu toe unieke toepassing is gerealiseerd door het Japanse industriële machinebedrijf Mayekawa. In de kern van de uitbeencel: hygiënische en zeer dynamische Stäubli robots.

In slachthuizen zijn de omgevingsomstandigheden voor het personeel zwaar door de koude en het vocht. Tegelijk gaat het om uiterst arbeidsintensieve en repetitieve activiteiten. Automatiseren is echter geen evidentie: elk dier is anders en de hand-oog coördinatie van het gespecialiseerde personeel was onmisbaar bij het uitsnijden van de dieren. Daar kan nu snel verandering in komen. Op de internationale vakbeurs IFFA presenteerde de Japanse machinebouwer Mayekawa een geautomatiseerde cel voor het uitbenen van varkensvlees.

Het hart van de CELLDAS robotcel wordt gevormd door drie zesassige Stäubli robots (TX2-60 HE en TX2-90 HE). Terwijl twee van de robots de stukken varkensvlees behandelen en positioneren, neemt de derde zesassige robot, uitgerust met een mes, het uitbenen voor zijn rekening. Een intelligente taakverdeling dus: de twee robots met grijpers kunnen een ham of een schouderstuk zodanig fixeren dat het snijden kinderspel wordt voor de derde robot. Beeldverwerking en AI vervangen het menselijk oog. Hoe ‘weet’ de robot dan waar hij moet snijden en waar de botten zitten? Mayekawa ontwikkelaar Tatsuya Umino: “De functie van het menselijk oog en ook de ’tactiele feedback’ wanneer het personeel op weerstand in het vlees stuit, is moeilijk te vervangen. Wij maken gebruik van een combinatie van beeldverwerking en artificiële intelligentie. Op de lopende band die naar de robotcel leidt, wordt het uit te benen stuk vlees gescand met een 3D-scanner en röntgenstralen.” Uit de analyse maakt het besturingssysteem een minutieus plan voor het uitbenen met de optimale snijbanen. Hiervoor gebruikt het systeem artificiële intelligentie om de precisie van de beeldverwerking te vergroten – een belangrijke functie om het snijpad te optimaliseren. Op deze manier wordt het CELLDAS systeem slimmer bij elk stuk uitgebeend vlees.

Dan begint het (korte) snijproces. Hier werken de robots op een zeer dynamische manier, met uiterste precisie en in een coördinatie die de perfectie benadert. De twee robots met het klemgereedschap grijpen het stuk vlees bij het bot. In het geval van een ham snijdt de robot met het snijgereedschap vakkundig de contouren rond het stuitbeen en de heupbeenderen door, waardoor het vlees van de beenderen loskomt. In combinatie met de grijprobots zijn ook ondersnijdingen mogelijk, bijvoorbeeld achter het heupbeen. Het vlees wordt verwijderd door een van de twee transportbanden, de botten door de andere. Wat eenvoudig klinkt, is in de implementatie en uitvoering buitengewoon complex. Vlees is immers een natuurproduct en elke ham en elke schouder heeft andere afmetingen. Ook de plaats van de botten in en op het vlees moet telkens afzonderlijk worden bepaald.

Er zijn drie belangrijke redenen waarom de Mayekawa ingenieurs voor Stäubli robots kozen: Twee liggen voor de hand, de derde misschien iets minder. In de HE versie (Humid Environment), zijn de zesassige Stäubli robots vanaf de basis ontworpen om te werken in vochtige en natte omstandigheden – en dit gedurende lange periodes met een hoge dynamiek. Alle robot­onderdelen zijn hermetisch ingekapseld en kunnen zelfs worden blootgesteld aan de dagelijkse reinigingsprocedures die deel uitmaken van het dagelijkse leven in de vleesverwerking. Bovendien is de buitenkant van de robots vrij van dode ruimte, zodat zich geen bacteriën of andere verontreinigingen kunnen nestelen. De voorwaarden voor de hoogste hygiënische normen zijn dus vervuld.   

Het tweede grote voordeel van Stäubli robots is de mogelijkheid om NSF-H1 klasse food-grade olie te gebruiken. Terwijl de meeste robots van bekende fabrikanten slechts met sterk verminderde prestaties kunnen werken bij gebruik van deze oliën, zijn de Stäubli robots goedgekeurd voor gebruik met maximale prestaties.

De derde belangrijke eis vloeit voort uit het feit dat de bewegingssequenties en krachten tijdens het uitbenen nooit precies kunnen worden voorspeld. Het mes op de robotarm kan onverwacht botten in het vlees raken, het kan vastlopen in het bot en plotseling weer loskomen. Zaken die op onregelmatige momenten op de aandrijflijn inwerken. Vooral de tandwielen moeten hiertegen bestand zijn. Dit is het geval bij Stäubli robots, want de gepatenteerde JCS aandrijftechnologie, die in eigen huis werd ontwikkeld, biedt voldoende reserves in elke situatie. Bovendien worden de aandrijvingen gekenmerkt door een hoge dynamiek – een eigenschap die belangrijk is wanneer de robotarm op korte termijn moet versnellen en vertragen of een snelle wissel van een voorwaartse naar een achterwaartse beweging moet uitvoeren. Een ander voordeel van de Stäubli robots dat door Umino werd vermeld, is de flexibele programmeersoftware, die gemakkelijk kan worden aangepast aan zeer uiteenlopende vereisten. En hij kan gemakkelijk worden geïntegreerd in besturingsconcepten van een hoger niveau: “In het algemeen is de hele cel zeer flexibel. Als de juiste programma’s aanwezig zijn, kan hij bijvoorbeeld overschakelen van ham naar schouder en omgekeerd, zonder omsteltijd.”

Het uitbenen van het heupbeen en het stuitbeen van een varkenspoot in de CELLDAS cel duurt ongeveer 40 seconden. Een ervaren slager kan dat ook. De reden voor automatisering ligt elders. Beroepsziekten zoals peesontsteking komen vaak voor, en dan zijn er nog de gezondheidsrisico’s die werken in kou en vocht met zich meebrengen. De belangrijkste drijfveer is hier het gebrek aan geschoold personeel en de wens om onaangenaam werk te automatiseren. Dit is precies wat het CELLDAS systeem doet. Een vraag die ook uit andere sectoren van de voedingsindustrie komt. Umino: ” Het doel van deze ontwikkeling was niet alleen het automatisch snijden van vlees, maar meer in het algemeen de automatisering van de verwerking van amorfe en zachte voorwerpen met een intelligent systeem voor alle doeleinden. Daarin zijn we geslaagd.” Het is dus goed mogelijk dat het ‘robottrio’ van Stäubli in de nabije toekomst ook in andere toepassingen zal fungeren.     ■ 

Automatisering is de weg vooruit
De voedings- en drankenindustrie staat onder enorme kostendruk. Tegelijkertijd creëert een tekort aan geschoold personeel verdere problemen. Op de afgelopen Interpack toonde Stäubli Robotics hoe op maat gemaakte robotoplossingen het antwoord op beide uitdagingen zijn. Op basis van jarenlange ervaring in de voedingsindustrie weet Stäubli Robotics precies wat producenten willen: hoogwaardige oplossingen met hygiënisch ontwerp die ook topprestaties leveren op het vlak van veelzijdigheid en operatorveiligheid. Wat minstens even belangrijk is, is de naleving van de strenge hygiënevoorschriften van de voedingsindustrie, vooral bij de behandeling van onverpakte voedingsproducten. Alle Stäubli robots zijn daarom ook beschikbaar in HE uitvoering. Dit geldt ook voor de SCARA’s van de TS2 serie, die door hun indrukwekkende dynamica uitermate geschikt zijn voor verpakkingsprocessen. Dat is de theorie. Een robotcel voor het portioneren van vlees en kaas demonstreerde dit ook meteen in de praktijk. Een compacte zesassige TX2-60 robot voert de snijprocessen uit. De vlees- en kaasporties worden vervolgens opgepakt door een ultrasnelle TS2-60 SCARA, die de primaire verpakking voor zijn rekening neemt. Wat hier echt opvalt, is de indrukwekkende dynamiek die de vierassige HE robot bereikt, ondanks het feit dat hij alleen gesmeerd kan worden met NSF H1-olie voor levensmiddelen. Op Interpack onderstreepte Stäubli zijn expertise in de realisatie van hygiënische ontwerpoplossingen voor scenario’s waarin hoge prestaties, flexibiliteit en veiligheid van de operator primeren.