第1章 绪论
目前在肉品加工领域中，智能加工装备被广泛应用于畜禽肉类的分块、分级、分拣和包装等工作中。然而，现阶段我国畜类加工设备处于以人工操作为主的机械化和半自主化水平，且容易造成交叉感染风险。因此，畜类智能化加工设备的研发具有重要的应用价值。本书将围绕畜类胴体(主要以猪胴体为例)自主加工机器人相关内容展开，全面讨论其设计、研发、应用以及未来发展方向。
1.1 研究背景和意义
目前我国是世界上肉类生产与消费的**大国[1]，中国肉类加工业已成为我国农产品加工业与食品加工业的支柱产业[2]。国家统计局数据显示，2018年我国畜禽肉类总产量达8517万吨，约占全世界的1/4[3，4]；国家统计局发布的《中华人民共和国2020年国民经济和社会发展统计公报》显示，在我国2020年全年的畜类肉产量中，猪肉的产量约占肉类消费的一半以上。但我国畜禽肉类生产成本较高，屠宰行业分散，小型、半机械化加工方式占大多数[5]，生产效率低、加工成本高。国家出台多项肉品智能化加工战略性政策，例如，《中国制造2025》明确指出“加快食品行业生产设备的智能化改造，提高精准制造、敏捷制造能力；加快食品行业智能检测监管体系建设，提高智能化水平”。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中也重点强调“改造畜禽定点屠宰加工厂冷链储藏和运输设施，提升仓储保鲜设施”。智能装备的推广应用可降低生产过程中的人工成本，提高生产效率，保证每个环节都可对产品信息进行追溯，确保肉品品质和安全。在畜禽类肉品自主加工方面，欧美企业具有先进的技术并得以产业化应用，而我国在畜禽加工过程中使用自主装备还相对较少[6]。
畜类肉品智能加工是食品科学、人工智能等多学科交叉的领域，随着对食品安全和食品质量的要求不断提高，畜类肉品加工正朝着智能化、自动化、数字化方向发展。在科学研究方面，本书为传统的肉类品质检测、胴体快速精准分割等研究提供了不同学科的交叉思路。通过智能加工技术实现畜类肉品加工的智能化和数字化，提高生产效率和产品质量，降低生产成本。同时智能肉品加工还可以通过提供定制化、个性化的产品，满足消费者多样化的需求，提高市场竞争力。同时促进畜类肉品加工的食品安全质量的提高和调整产业结构，实现肉品加工的高质量、绿色发展。
1.2 国内外研究现状
肉品智能化加工关键技术与装备研发及应用方面，欧美发达国家和地区相关技术与装备研发起步较早，部分技术已得到有效的产业化应用，而我国在肉品加工与运输过程中使用自主装备还相对较少[7]。随着国家工业化、信息化、城镇化和农业现代化的推进，肉品智能化加工关键技术与装备研发正在进入高速发展时期，集聚领域内众多科学家和工程技术人员共同攻关，必将加快推动肉品加工行业智能化水平的发展进程。
1.2.1 国内肉品智能装备研究现状
国内从事畜类加工设备的制造企业基本为中小企业，研发能力和生产制造水平比较薄弱，难以支撑畜类智能化分割设备的系统性研发。我国畜禽屠宰企业使用的屠宰、分割设备与西方发达国家相比还存在较大差距，基本处于手动或半自动状态，如摆动式烫毛机、滚筒式去毛机、反复式劈半机等；肉品分割主要依靠人工，工人及分割工具存在卫生安全风险；同时，人工分割工序复杂，各工序间协同能力差，导致分割效率和分割质量普遍较低。2013年，双汇集团收购全球*大猪肉加工企业美国Smithfield Foods公司，推动了我国畜禽类肉品加工行业的现代化进程。青岛建华食品机械制造有限公司研发了基于分级管理报送数据的生猪屠宰监管技术系统、基于ZigBee的无线射频识别系统、畜禽产业技术体系生产监测与产品质量追溯平台等[8]。济宁兴隆自主研发的猪体自动劈半机，实现了整个作业过程的自动化[9]。吉林艾斯克机电有限责任公司研发了智能化自动掏膛生产线[10，11]。但畜类肉品自主感知、快速切块、精准剔骨等核心技术仍未取得实质性突破，亟需技术攻关。国内部分畜禽类肉品加工机器人系统如图1-1所示。
我国畜禽屠宰加工企业规模较小，部分企业仍以比较传统的作坊式生产为主，专业化程度不高、散户多、集中屠宰率较低，导致畜禽内脏的产量低且分散，原料的标准化收集、保鲜和贮运等环节较困难，且增加了市场监管的难度[12]。同时，智能化分割设备的系统研制水平薄弱导致畜肉快速扫描、肉品数据采集和分析技术发展滞后。尽管国内学者已经将机器人相关技术应用到畜类肉品加工行业，但目前仍处于实验理论基础研究阶段，未能转化到实际生产中。我国青岛建华、济宁兴隆和吉林艾斯克等公司相继研发了自动化分级、分拣和包装设备，但关于自主分级、分拣和包装等方面的智能化程度较低，亟须进行设备研发。基于视觉、力觉识别与定位的扫描技术，实现对胴体的精准识别、定位等更是处于行业空白状态。
图1-1 国内部分畜禽类肉品加工机器人系统
1.2.2 国外肉品智能装备研究现状
全球对畜禽类肉品消耗量巨大，自动化生产程度需求*高。当前大多数自动化屠宰设备的制造商集中在欧美等发达国家和地区，并且通过与研究机构的合作，已经将机器人技术引入到屠宰自动化生产线中，较为著名的厂商和研究机构有新西兰农业科学院AgResearch、丹麦SFK技术股份有限公司、美国佐治亚州研究院、日本 Mayekawa Electric公司、澳大利亚Linley Valley Fresh Pork公司、丹麦肉类研究所等。其中，丹麦专注通用肉品切割装置研发，美国研发面向家禽自动去骨工艺，日本研制剔骨加工机器人系统，澳大利亚研发胴体三维外形和骨骼的建模技术[13，14]。另外，将机器视觉技术、3D激光扫描技术、X射线和CT成像技术用于畜类生产线肉品数据采集过程中，已初步实现肉品分级、分拣、包装与冷链运输全程自主化和可控化。例如，丹麦ATTEC公司依据X射线断层技术对猪胴体进行检测成像，根据相应位置的骨骼和肉质进行分级；美国、加拿大、欧洲等国家和地区在猪胴体评级过程中引入了先进的在线分级技术，如计算机视觉技术、瘦肉率智能化预测技术等，改进了猪肉质量分级手段，提高了猪肉质量分级的效率，先进的分级技术和分级仪器设备的运用使得美国、加拿大、欧洲等发达国家和地区的猪肉质量分级工作得以稳定有效实施。澳大利亚Linley Valley Fresh Pork公司将激光成像与分级机器人相结合，实现精准分级、分拣，保持猪肉品质；荷兰Meyn公司基于机器视觉技术与在线称重技术，实现家禽的质量(色泽)和重量分级等[15]；加拿大在分级过程中引入瘦肉率智能化预测技术与设备，如德斯特朗(Destron-DPG)猪肉分级机和轩尼诗(Hennessy-HGP)猪肉分级探头[16]；美国和日本的物流中心广泛采用自动分拣系统，该系统目前已经成为发达国家和地区大中型物流中心不可缺少的一部分。国外部分畜禽类肉品加工机器人系统如图1-2所示。
图1-2 国外部分畜禽类肉品加工机器人系统
1.3 肉品智能装备面临的机遇与挑战
国家政策的大力支持与技术升级正加速着肉品智能装备的智能化转型。自《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》中明确提出“要大力发展智能制造系统，加快推动新一代信息技术与制造技术的深度融合”以来，国家陆续发布相关产业政策支持文件，为智能制造业的发展提供了稳定的政策基础。随着科学技术的不断突破与产业变革的加速发展，新一代的信息技术正在赋能传统制造业，推动实现肉品智能装备与人工智能等技术的深度融合。但现阶段我国的肉品智能装备与发达国家相比仍有一定差距，且相关专业技术人才短缺，对相关产业的发展支撑薄弱。
1.3.1 发展趋势与特点
目前我国肉品加工业正由传统分割工艺向“智能无人化加工”模式转变，自主机器人系统将开启畜禽类肉品加工新模式，如图1-3所示。智能加工发展呈现如下发展特点与趋势。
(1)加工流程全自主化。胴体扫描与识别、快速分块、自主分级、高效分拣、定制化包装以及精准剔骨等核心工艺设备实现自主化，减少人工干预，保证肉质安全无污染。
(2)加工工艺指标精确化。精准剔骨等瓶颈技术参数精确化，实现自主骨肉分离；分拣技术的突破，实现柔性化、自主调节等智能化分拣。
(3)肉品安全可追溯。加工全流程数据实时采集、分析与处理，肉品加工全流程信息可追溯。
图1-3 畜禽肉品分割装备发展趋势
1.3.2 当前面临的问题
1)肉品加工装备机械设备手段落后、自主化程度低
(1)肉品加工手段落后、误差大。我国现行的肉品分级标准只针对人工检测分级，无自主化分级的相应标准。现行猪肉质量分级信息采集主要使用人工测量等方式进行，分级数据采集自主化程度低。现行行业标准中肉品分级评价方法主要采用称重、测量和人工感官测评等方式，分级手段落后[17]。在分块、剔骨等方面，尽管已经从传统的人工分割转变为机械加工，但是当前用于分块、剔骨的机械化设备为半自动化状态，不能达到精准切割与剔骨，造成生产出的产品质量参差不齐，甚至需后续人工进行二次加工；半自动化设备在进行剔骨、分块时常伴随着大量的损耗，造成严重的浪费和成本问题。肉品分拣存在自主化程度低、分拣准确度低、易损伤的特点。传统肉品分拣效率低、人力成本高，分拣过程繁琐、耗时长，且无法自主对肉品进行分类。国内肉品分拣普遍采用人工或者简易机械完成；在人工分拣过程中，由于人工操作的不确定性等原因，肉块摆放位置和姿态高度不统一，给后续工序带来不必要的麻烦；在机械装置分拣过程中，机器不能自主把控抓取的力度，造成肉块的二次损伤，影响肉的品质。此外，现有的分割肉分拣设备和工艺无法准确剔除分割肉中的残次品。
(2)生产线人员密集，疫情防控难度大。肉品加工行业属于劳动密集行业，人工参与度较高，且操作人员都属于畜类的密切接触者，因此相对感染一些动物源人畜共患病(如口蹄疫、猪链球菌病、非洲猪瘟)的概率较大，容易出现交叉感染的情况。
2)肉品包装环节自主化程度低，流通过程中易受微生物污染
肉品包装环节自动化规范程度低，不能根据分割肉的尺寸和不同部位进行差异化个体包装，包装过程中易造成袋内环境不均衡、包装袋易破损、密封性差、运输和储藏过程中出现肉品品质下降等问题[18]。现阶段，我国大部分肉品加工企业在包装过程中采用人工包装或者半自动化机械包装。人工包装易产生人为误差、不确定性及二次污染等问题；机械包装无法自主填充定制化气体，导致袋内气体环境不适宜，引起肉品氧化酸败、包装塌陷、色泽变化等问题。
目前冷却肉包装主要有两种方式：一是气调包装，通过改变环境中的气体比例抑制微生物生长，从而延长鲜肉货架期；二是托盘包装，这是超市冷柜中冷却肉*常用的销售形式，冷却肉切分后用泡沫聚苯乙烯托盘包装，上面用聚氯乙烯或聚乙烯覆盖，可保持冷却肉氧合肌红蛋白的鲜红色。目前有研究通过测定猪肉的蒸煮损失率、熟肉剪切力、挥发性盐基氮含量等指标，得出托盘包装猪肉的储藏期较真空包装猪肉短。目前的包装技术也有其弊端，需要人工辅助进行，没有统一化的标准，易造成包装破损、二次污染等，也不能与分拣自主衔接。
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