DE102016112596A1

DE102016112596A1 - Verfahren und Vorrichtung zum automatischen Ansetzen von Melkbechern an Zitzen eines milchgebenden Tieres

Info

Publication number: DE102016112596A1
Application number: DE102016112596.2A
Authority: DE
Inventors: Magnus Wiethoff; Jarek Jagodzinski; Clemens Renner
Original assignee: GEA Farm Technologies GmbH
Current assignee: GEA Farm Technologies GmbH
Priority date: 2016-07-08
Filing date: 2016-07-08
Publication date: 2018-01-11
Also published as: WO2018007242A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Ansetzen von Melkbechern (7) an Zitzen eines milchgebenden Tieres, insbesondere einer Kuh, mit den folgenden Schritten: – Erstellen einer zweidimensionalen Abbildung von Zitzen des Tieres, wobei Abstandsinformationen für zumindest eine Mehrzahl von Bildpunkten der zweidimensionalen Abbildung vorliegen; – Auswerten der zweidimensionalen Abbildung und der Abstandsinformationen und Ermitteln mindestens einer Position (P21) von zumindest einer Zitzenspitze (21) einer der Zitzen (20) sowie einer Ausrichtung der Zitze (20) in einem vorgegebenen Koordinatensystem; – Feststellen, ob die Zitze (20) eine Schrägstellung aufweist; und – Ansetzen eines der Melkbecher (7) an der Position (P21) der Zitzenspitze (21), falls eine Schrägstellung nicht festgestellt wird, oder – Ansetzen des Melkbechers (7) an einer Ansetzposition, gegenüber der Position (P21) um einen Versatz (∆P) verschoben ist, der abhängig von der Schrägstellung bestimmt wird, falls eine Schrägstellung festgestellt wird. Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zum automatischen Ansetzen von Melkbechern (7) an Zitzen (20) eines milchgebenden Tieres, insbesondere einer Kuh, aufweisend eine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens eingerichtete Ablaufsteuerung vorhanden ist, die Informationen von dem Sensor auswertet und die Ansetzvorrichtung ansteuert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Ansetzen von Melkbechern an Zitzen eines milchgebenden Tieres, insbesondere einer Kuh, bei dem eine zweidimensionale (2D) Abbildung der Zitzen des Tieres erstellt wird, wobei Abstandsinformationen für zumindest eine Mehrzahl von Bildpunkten der 2D-Abbildung ermittelt werden und wobei die Position von zumindest einer Zitzenspitze einer der Zitzen anhand einer Auswertung der 2D-Abbildung unter Berücksichtigung der Abstandsinformationen in einem vorgegebenen Koordinatensystem bestimmt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum automatischen Ansetzen von Melkbechern an Zitzen eines milchgebenden Tieres, insbesondere einer Kuh.
In automatisierten Melksystemen für milchgebende Tiere, beispielsweise für Kühe, kommt der Bestimmung der Position der Zitzen und insbesondere der Zitzenspitzen der Tiere eine maßgebliche Bedeutung zu. Nur wenn die Position mit ausreichender Orts- und Zeitauflösung erfasst werden kann, kann ein Ansetzvorgang automatisiert schnell und sicher und damit auch ohne Stress für das Tier durchgeführt werden. Für den Ansetzvorgang werden dreidimensionale (3D) Informationen über die Position der Zitze im Raum in einem vorgegebenen Koordinatensystem benötigt. Es haben sich in der Praxis verschiedene Systeme etabliert, um die Position der Zitzen im Raum zu bestimmen. Zu nennen sind hier insbesondere bildgebende Verfahren, bei denen ein zunächst zweidimensionales Abbild mit einer Vielzahl von Bildpunkten (Pixeln) erstellt wird, das für alle oder zumindest einen Teil der Bildpunkte um Abstandsinformationen ergänzt wird. Die Abstandsinformationen betreffen beispielsweise den Abstand zwischen einer bildaufnehmenden Kamera und dem von einem Bildpunkt jeweils wiedergegebenen Objekt.
Zur Gewinnung der Abstandsinformationen sind beispielsweise stereoskopische Verfahren gebräuchlich, bei denen die Abstandsinformation aus einem Vergleich zweier aus unterschiedlichen Richtungen aufgenommenen Abbildungen gewonnen werden. Als eine weitere Methode ist aus der Druckschrift WO 2007/104 124 A1 die Verwendung eines bildgebenden Time-Of-Flight(TOF)-Verfahrens bekannt, bei dem mithilfe nur einer Kamera sowohl eine zweidimensionale Abbildung der Zitzen erfolgt, als auch Abstandsinformationen für jedes der Pixel gewonnen werden können.
Mithilfe der Information über die Position der Zitzen im Raum kann eine Vorrichtung zum Ansetzen der Melkbecher an die Zitzen angesteuert werden. In der Praxis haben sich hier Roboterarme durchgesetzt, die entweder einzelne Melkbecher greifen und unter Verwendung der Positionsinformationen an die Zitzen ansetzen oder die ein vollständiges Melkzeug mit mehreren Melkbechern bewegen, wobei die Melkbecher selektiv angehoben werden können, um sie nacheinander ansetzen zu können. In Melkständen, in denen ein automatisiertes Melken durchgeführt wird, wird versucht, das Tier vor dem Melken in eine möglichst reproduzierbare Position zu bringen. Dennoch besteht eine Schwierigkeit beim automatisierten Melken darin, dass sich die Position der Zitzen, ebenso wie die Ausrichtung des Euters selbst bei ein und demselben Tier von Melkvorgang zu Melkvorgang stark unterscheidet. Die Unterschiede haben ihre Ursache z.B. in unterschiedlicher Körperhaltung des Tieres. Zudem unterliegen die Größe des Euters und damit die Positionen der Zitzen auch tageszeitlichen und jahreszeitlichen Schwankungen.
Erschwert wird der Ansetzvorgang zudem, wenn Zitzen schräg, also nicht vertikal nach unten, vom Euter abstehen. Häufig werden diese Zitzen bei einer Aufwärtsbewegung des Melkbechers beim Ansetzvorgang vom Melkbecher zur Seite weggedrückt und nicht von dem Melkbecher erfasst. Wenn auch eine Wiederholung des Ansetzvorgangs fehlschlägt, muss manuell angesetzt werden, was mit entsprechendem Aufwand verbunden ist.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum automatisierten Ansetzen von Melkbechern an Zitzen eines milchgebenden Tieres zu schaffen, bei dem ein Ansetzvorgang auch bei schräg stehenden Zitzen erfolgreich durchgeführt werden kann. Es ist eine weitere Aufgabe, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren der eingangs genannten Art weist die folgenden Schritte auf: Bei der Auswertung der zweidimensionalen Abbildung und der Abstandsinformationen wird neben der Position von zumindest einer Zitzenspitze einer der Zitzen auch eine Ausrichtung der Zitze in einem vorgegebenen Koordinatensystem bestimmt. Basierend auf der ermittelten Ausrichtung der Zitze wird festgestellt, ob die Zitze eine Schrägstellung aufweist. Falls keine Schrägstellung festgestellt wird, wird einer der Melkbecher an der Position der Zitzenspitze angesetzt. Falls eine Schrägstellung festgestellt wird, wird der Melkbecher an einer Ansetzposition angesetzt, die gegenüber der Position der Zitzenspitze um einen Versatz verschoben ist, der abhängig von der Schrägstellung bestimmt wird.
Durch die Ermittlung der Ausrichtung der anzusetzenden Zitze kann die Ansetzposition bei einer festgestellten Schrägstellung gezielt beeinflusst werden, um einem Wegdrücken der schrägstehenden Zitze durch den Melkbecher entgegen zu wirken. Unter einer Schrägstellung der Zitze ist dabei eine Abweichung der Ausrichtung der Zitze von einer vertikalen Richtung zu verstehen. Es kann ein Toleranzbereich festgelegt sein, derart, dass erst ab einem vorbestimmten Abweichungswinkel von der vertikalen Ausrichtung eine Schrägstellung als festgestellt gilt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Ausrichtung der Zitze durch einen Richtungsvektor beschrieben, der von der Zitzenspitze in Richtung eines Ansatzes der Zitze am Euter weist. Bevorzugt wird dann der Versatz anhand einer Projektion des Richtungsvektors auf eine horizontale Ebene bestimmt wird. Beispielsweise kann der Melkbecher ausgehend von der Position der Zitzenspitze in einer horizontalen Ebene in Richtung des Ansatzes der Zitze am Euter verschoben werden. Der Melkbecher ist dann nicht unmittelbar unter der Zitzenspitze, wohl aber zwischen dem Ansatz der Zitze und ihrer Spitze unter der Zitze zum Ansetzen positioniert. Beim Anheben des Melkbechers an dieser Position legt sich die schräg stehende Zitze über die Öffnung des Melkbechers, die üblicherweise mit Vakuum beaufschlagt ist. Die Zitze wird dann in den Melkbecher eingesogen, was bei weiterem Anheben der Melkbecher zu einem erfolgreichen Ansetzen führt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung entspricht die Länge des Richtungsvektors der Länge der Zitze. Die Länge der Zitze kann dabei bei der Auswertung der 2D-Abbildung unter Berücksichtigung der Abstandsinformationen bestimmt werden. Alternativ kann die Länge aus abgespeicherten tierspezifischen oder gattungsspezifischen Daten entnommen werden. Der Versatz in horizontaler Richtung kann dann bestimmt werden, indem die Länge der Projektion des Richtungsvektors auf die horizontale Ebene mit einem vorgegebenen Faktor, der bevorzugt größer 0 und kleiner 1 ist, multipliziert wird. Der Faktor legt fest, an welcher Position des Melkbechers unterhalb der schräg stehenden Zeit das Ansetzen erfolgen soll. Bei einem Faktor von 0,5 erfolgt das Ansetzen mittig unterhalb der Zitze, bei einem Faktor kleiner als 0,5 erfolgt das Ansetzen näher an der Zitzenspitze, bei einem Faktor zwischen 0,5 und 1 erfolgt das Ansetzen näher an dem Ansatz der Zitze am Euter. Bevorzugt liegt der vorgegebene Faktor zwischen 0,3 und 0,7 und besonders bevorzugt zwischen 0,45 und 0,55.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die Abstandsinformationen zu der Mehrzahl der Bildpunkte einer 2D-Abbildung im Wesentlich gleichzeitig bestimmt. Bei einer zeilenweisen Ermittlung der Abstandsinformationen, wie sie beispielsweise bei (Laser-)Scanverfahren erfolgt, führt eine Bewegung des Tiers zu einer Bildverzerrung, die eine korrekte Bestimmung der Schrägstellung verhindert. Die gleichzeitige Ermittlung der Abstandsinformationen stellt sicher, dass auch bei Bewegung des Tiers die Schrägstellung einer Zitze korrekt festgestellt und die Ansetzposition entsprechend verschoben werden kann.
Bevorzugt wird die 2D-Abbildung mithilfe eines Time-Of-Flight Sensors erstellt, der eine Mehrzahl von Bildpunkten aufweist, wobei für jeden der Bildpunkte Abstandsinformationen in einem Phasendetektionsverfahren ermittelt werden. Diese Methode zur 3-dimensionalen Abbildung erfüllt das zuvor genannte Kriterium der gleichzeitigen Ermittlung der Abstandsinformationen und stellt diese zudem mit einer hohen Wiederholfrequenz zur Verfügung, so dass Tierbewegungen während des Ansetzvorgangs ausgeglichen werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird von der 2D-Abbildung der Zitzen des Tieres auch mindestens ein anzusetzender Melkbecher erfasst und eine Position des Melkbechers extrahiert. Ein Ansetzen des Melkbechers an eine der Zitzen erfolgt unter Berücksichtigung einer ermittelten Position der Zitze im vorgegebenen Koordinatensystem, sowie der ermittelten Position des Melkbechers in dem gleichen Koordinatensystem. Das Koordinatensystem kann dabei beispielsweise durch die Position der Kamera festgelegt sein. Alternativ kann das vorgegebene Koordinatensystem anhand der Position einer der Zitzen oder des Melkbechers so umgerechnet werden, dass sein Nullpunkt durch die Position einer dieser Zitzen und/oder des Melkbechers beschrieben ist.
Dabei können Abweichungen der ermittelten Positionen der Melkbecher mit hinterlegten (oder zu einem früheren Zeitpunkt ermittelten) Positionen verglichen werden. Eine Abweichung kann auf eine Beschädigung des Melkzeugs hinweise, beispielsweise durch einen Tritt des michgebenden Tieres.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum automatischen Ansetzen von Melkbechern an Zitzen eines milchgebenden Tieres, insbesondere einer Kuh, weist eine Ansetzvorrichtung und eine Sensor zur Erfassung einer zweidimensionalen Abbildung der Zitzen des Tieres und von Abstandsinformationen für zumindest eine Mehrzahl von Bildpunkten der zweidimensionalen Abbildung auf. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der zuvor genannten Ansprüche eingerichtete Ablaufsteuerung aufweist, die Informationen von dem Sensor auswertet und die Ansetzvorrichtung ansteuert.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mithilfe von Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
1 eine schematische perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zum automatisierten Melken;
2 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Ansetzen von Melkbechern an Zitzen eines milchgebenden Tieres; und
3a–d eine schematische Darstellung eines Ansetzvorgangs eines Melkbechers an eine schräg stehende Zitze in vier Teilbildern.
In 1 ist ein Teil einer Vorrichtung zum automatisierten Melken in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Die Vorrichtung umfasst einen Roboterarm 1, der über eine hier nicht dargestellte Armantriebseinheit in vertikaler Richtung verfahren und um eine erste Schwenkachse 2 verschwenkt werden kann. An einem freien Ende des Roboterarms 1 ist ein Halter 3 angebracht, der über eine hier ebenfalls nicht dargestellte Antriebseinheit um eine zweite Schwenkachse 4 verschwenkt werden kann. Am Halter 3 ist ein Melkzeugträger 5 montiert, der Melkzeug 6 trägt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Melkzeug 6 vier Melkbecher 7, die über Milch- und Vakuumschläuche 8 mit einer hier ebenfalls nicht dargestellten Melkeinrichtung verbunden sind. Die im dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigten vier Melkbecher 7 dienen dem Melken von beispielsweise Kühen. Für andere Tiere, beispielsweise Ziegen oder Schafe, kann eine andere Anzahl von beispielsweise zwei Melkbechern beim Melkzeug vorgesehen sein.
Die Melkbecher 7 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel über ein Segmentelement 9 an dem Melkzeugträger 5 montiert. Das Segmentelement 9 umfasst eine Mehrzahl von ringförmigen, hohlen Segmenten, durch die im Inneren des Segmentelements 9 ein Zugmittel, beispielsweise ein Seil oder eine Kette, verläuft, das über einen Aktor gespannt werden kann. In der Abbildung der 1 sind die Zugelemente aller Segmentelemente 9 gespannt, wodurch alle vier Melkbecher 7 sich in der dargestellten angehobenen Position befinden. Die Zugmittel der Segmentelemente 9 können selektiv über ihre Aktoren betätigt werden, sodass jeder einzelne der Melkbecher 7 in eine angehobene oder abgesenkte Position gebracht werden kann.
Weiterhin ist an dem Melkzeugträger 5 ein bildgebender Sensor 10 angeordnet, der im vorliegenden Fall als ein TOF-Sensor ausgebildet ist und entsprechend in der Lage ist, eine zweidimensionale (2D-)Abbildung mit einer vorgegebenen Anzahl von Bildpunkten (Pixeln) zu erstellen, wobei für die Bildpunkte jeweils zusätzlich Abstandsinformationen für den Abstand zwischen dem Bildsensor 10 und dem von den jeweiligen Pixel abgebildeten Objekt bereitgestellt werden. In diesem Sinne kann der bildgebende Sensor 10 auch als ein 3D-Sensor angesehen werden, da er Lateral- und Tiefeninformationen bereitstellt. Nachfolgend wird der Sensor 10 aus diesem Grund auch als 3D-Sensor 10 bezeichnet.
Um den 3D-Sensor 10 herum sind Lichtquellen 11 angeordnet, die einer Beleuchtung des von den 3D-Sensor 10 erfassten Blickfelds dienen. Die Anordnung und Ausrichtung des 3D-Sensors 10 ist so gewählt, dass bei geeigneter Ausrichtung des Melkzeugträgers 5 prinzipiell alle Zitzen des zu melkenden Tieres im Blickfeld des 3D-Sensors 10 liegen können. Von möglichen Verdeckungen der Zitzen abgesehen, stellt der 3D-Sensor 10 somit Informationen zur Verfügung, aus der die Lage und Ausrichtung aller Zitzen des milchgebenden Tieres gleichzeitig ermittelt werden kann. Der Bildausschnitt ist bevorzugt zudem so gewählt, dass auch Melkbecher 7 in der angehobenen Position vom 3D-Sensor 10 erfasst werden können.
Nachfolgend wird im Zusammenhang mit einem in 2 wiedergegebenen Flussdiagramm ein erfindungsgemäßes Verfahren zum automatischen Ansetzen von Melkbechern an Zitzen eines milchgebenden Tieres erläutert. Das Verfahren kann z.B. unter Verwendung der in 1 gezeigten Vorrichtung durchgeführt werden und wird beispielhaft mit den in 1 angegebenen Bezugszeichen erläutert.
Es versteht sich jedoch, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch mit anders ausgestalteten Vorrichtungen durchgeführt werden kann. Beispielsweise kann der Roboterarm, der zur Bewegung der Melkbecher 7 verwendet wird, sich von dem in 1 dargestellten unterscheiden. Es kann zum einen ein anderer Bewegungsablauf unter Verwendung von abweichend verschwenkbaren, kippbaren oder verfahrbaren Armelementen vorgesehen sein. Zum anderen ist beispielsweise auch eine Ausgestaltung des Roboterarms denkbar, bei der nicht das gesamte Melkzeug gleichzeitig getragen wird, sondern bei der der Roboterarm einzelne Melkbecher greift und ansetzt. Auch der bildgebende Sensor 10 muss nicht zwingend am Roboterarm bzw. dem Melkzeugträger montiert sein, sondern kann extern angeordnet und auf den Euterbereich des milchgebenden Tieres ausgerichtet sein. Schließlich kann eine andere Technik als das genannte TOF-Verfahren zur Erfassung der Abstandsinformationen zusätzlich zur 2D-Abbildung verwendet werden.
Für das im Folgenden beschriebene Ansetzverfahren wird davon ausgegangen, dass ein milchgebendes Tier in einen automatisierten Melkstand eintritt bzw. in diesen eingetreten ist. Beim Eintreten oder nach dem Eintreten des Tieres in den Melkstand wird in einem ersten Schritt S1 das Tier identifiziert. Zu diesem Zweck sind verschiedene Verfahren bekannt, beispielsweise indem das Tier eine RFID(Radio Frequency IDentification)-Marke trägt, die im Melkstand oder beim Eintritt in den Melkstand von einem Empfänger erfasst wird, wobei eine Identifikationsnummer des Tieres übertragen wird.
In einem nächsten Schritt S2 werden anhand der empfangenen Identifikationsnummer des Tieres tierspezifische Daten aus einem lokalen oder zentralen Datenspeicher abgefragt. Zu den tierspezifischen Daten, nachfolgend auch Tierdaten genannt, gehören Informationen zur Positionierung des Tieres in dem Melkstand, eine Vorzugsposition, die der Roboterarm, beispielsweise der Roboterarm 1 und der Melkzeugträger 5 als tierspezifische Standardposition einnehmen und relative Positionsinformationen der Zitzen des Tieres untereinander. Die verschiedenen Informationen und ihre Bedeutung für das vorliegende Verfahren werden nachfolgend detaillierter erläutert.
In einem nächsten Schritt S3 wird das Tier anhand der empfangenen Positionsinformationen innerhalb des Melkstands positioniert. Dieses kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein in dem Melkstand angeordneter Futtertrog in eine geeignete Längsposition gebracht wird. In anderen Ausgestaltungen des Melkstands kann vorgesehen sein, anstelle des Futtertrogs eine Positionierung über einen am Hinterteil des Tieres anliegenden und bezüglich seiner Position einstellbaren Bügel innerhalb des Melkstands in eine geeignete Position zu bringen. Es wird darauf hingewiesen, dass in weiteren alternativen Ausgestaltungen der Schritt S3 zur Positionierung entfallen kann, beispielsweise wenn eine Vorrichtung zum Erkennen der eingenommenen Tierposition vorhanden ist, die eine Vorpositionierung des Roboterarms in nachfolgenden Verfahrensschritten übernimmt.
In einem nächsten Schritt S4 wird der Roboterarm an die Vorzugsposition, die im Schritt S2 empfangen wurde, unter das zu melkende Tier verfahren.
In einem nächsten Schritt S5 wird über den 3D-Sensor 10 eine erste 2D-Abbildung mitsamt Abstandsinformationen des Euters des Tieres aufgenommen. Die Abbildung wird daraufhin untersucht, ob typische Strukturen der Zitzen des Tieres sichtbar sind. Zu diesem Zweck können bekannte Bildanalyseverfahren eingesetzt werden, beispielsweise solche zur Kantenerkennung. Sollte es nicht möglich sein, überhaupt einer Zitze entsprechende Strukturen zu erkennen, kann ein Suchverfahren zwischengeschaltet werden, bei dem der Melkzeugträger 5 und/oder der Roboterarm 1 verschwenkt und/oder verkippt und/oder in ihrer Höhe variiert werden, bis eine dem Euter und den Zitzen entsprechende Struktur im Sichtfeld des bildgebenden Sensors 10 liegt.
Wenn Zitzen in der 2D-Abbildung erkannt werden können, werden die Anzahl und die jeweilige Position einer möglicherweise erkannten Zitze aus den 2D-Bildinformationen und den Abstandsinformationen, die der 3D-Sensor liefert, extrahiert. Sollte die Anzahl der als mögliche Zitzen erkannten Strukturen die Anzahl der tatsächlich vorhandenen und gegebenenfalls ebenfalls im Schritt S2 tierspezifisch abgerufenen Zahl der Zitzen übersteigen, wird eine entsprechende Anzahl von Strukturen ausgewählt, die das höchste Wahrscheinlichkeitsniveau (Signifikanzniveau), tatsächlich einer Zitze zu entsprechen, aufweisen.
In einem nächsten Schritt S6 werden für eine erste bzw. nächste anzusetzende Zitze eine Position der Zitzenspitze und die Ausrichtung der Zitze ermittelt.
In den 3a bis 3d ist ein beispielhafter Ansetzvorgang eines Melkbechers 7 an eine anzusetzende Zitze 20 in einer Sequenz von vier Teilbildern dargestellt. Wie die 3a zeigt, weist die Zitze 20 eine Zitzenspitze 21 an einer Position P21 auf. Die Ausrichtung der anzusetzenden Zitze 20 kann in guter Näherung durch eine Gerade wiedergegeben werden und beispielsweise, wie in der 3a dargestellt, durch einen Richtungsvektor R20 beschrieben werden, der von der Position P21 ausgeht und an dem Ansatzpunkt der Zitze 20 am Euter endet. Die Länge des Richtungsvektors R20 gibt vorliegend die Länge der Zitze 20 an.
Es versteht sich, dass anstelle des Wertepaares aus Position P21 und Richtungsvektor R20 auch ein Wertepaar aus der Position P21 und einer Position des Ansatzpunkts der Zitze 20 am Euter ermittelt werden kann. Diese unterschiedlichen Wertepaare beinhalten die gleiche Information. Wie nachfolgend noch erläutert wird, kann das anmeldungsgemäße Verfahren auch durchgeführt werden, wenn neben der Position P21 die Richtung des Verlaufs der Zitze 20 ermittelt wird, ohne dass eine Information über die Länge der Zitze 20 vorliegt.
Die Position P21 der Zitzenspitze 21 und der ihre Ausrichtung beschreibende Richtungsvektor R20, einschließlich ggf. der Länge der Zitze 20, werden im Schritt S6 aus den 2D-Bildinformationen und den Abstandsinformationen, die der 3D-Sensor liefert, ermittelt.
Bei der in 1 gezeigten Geometrie des Roboterarms 1 und der Anordnung des Sensors 10 werden bevorzugt zunächst die beiden hinteren Zitzen angesetzt, da andernfalls an vordere Zitzen angesetztes Melkzeug die hinteren Zitzen verdeckt. Als hintere Zitze wird eine der bei Kühen üblicherweise zwei Zitzen bezeichnet, die entfernt vom Kopf des Tieres liegen. Bezüglich ihrer Lateralposition liegen die beiden hinteren Zitzen meist weiter innen als die weiter voneinander beabstandeten vorderen Zitzen.
In einem nachfolgenden Schritt S7 wird, beispielsweise anhand des Richtungsvektors R20, überprüft, ob die anzusetzende Zitze 20 schräg steht. Dabei kann eine Toleranzgrenze vorgesehen sein, beispielsweise ein Winkel gegenüber der Vertikalen, ab dem überhaupt eine Schrägstellung angenommen wird. Es kann z.B. vorgesehen sein, dass nur bei einem Winkel des Richtungsvektors R20 von mehr als 10° gegenüber der Vertikalen die Zitze 20 als schräg stehend angenommen wird. Falls gemäß dieser Kriterien die Zitze 20 nicht als schräg stehend bestimmt wird, wird das Verfahren mit einem nächsten Schritt S8 fortgeführt, in dem als Ansetzposition die Position P21 der Zitzenspitze 21 gewählt wird.
In einem nachfolgenden Schritt S9 wird der Melkbecher 7, der der aufgefundenen Zitze 20 zugeordnet ist, durch Anspannung der Segmentelemente 9 angehoben und mittels des Melkzeugträgers 5 lateral und bzgl. seiner Höhe so verfahren, dass seine Öffnung zentral unter der Zitzenspitze 21 positioniert ist. Die Position der Öffnung des Melkbechers 7 wird nachfolgend auch als Position P7 bezeichnet (vgl. 3a). Während die Öffnung des Melkbechers 7 mit Vakuum beaufschlagt wird, wird der Melkbecher 7 weiter angehoben, wodurch die Zitze 20 unterstützt durch das Vakuum in den Melkbecher 7 gleitet und sich dieser an der Zitze 20 bzw. dem Euter festsaugt. Nach erfolgreichem Ansetzen können die Segmentelemente 9 des Melkbechers 7 entspannt werden, so dass der Melkzeugträger 5 zum Ansetzen weiterer Melkbecher 7 bewegt werden kann.
Die Bewegung des Melkbechers 7 bei dem Ansetzvorgang erfolgt bevorzugt unter kontinuierlicher Beobachtung durch den 3D-Sensor 10, wobei sowohl die Position P21 der Zitzenspitze 21 als auch die Position P7 des Melkbechers 7 aus dem Abbild und den Abstandsinformationen wiederholt ermittelt werden. Der Roboterarm 1 wird dann anhand der Relativposition von Zitzenspitze 21 zu Melkbecher 7 angesteuert.
In einem nächsten Schritt S10 wird festgestellt, ob alle Melkbecher 7 an die Anzahl der vorhandenen Zitzen angesetzt sind. Wenn dem so ist, endet das Verfahren und der Melkprozess kann beginnen bzw. fortgesetzt werden, falls bereits nach erfolgreichem Ansetzen einer der Zitzen mit dem Melken der entsprechenden Zitze begonnen wurde. Falls noch nicht alle Melkbecher 7 angesetzt sind, verzweigt das Verfahren von dem Schritt S10 zurück zu dem Schritt S5, wobei wiederum ein Abbild der Zitzen von dem 3D-Sensor 10 aufgenommen wird und im Schritt S6 Position und Ausrichtung einer nächsten Zitzen 20 ermittelt wird. Vorteilhaft ist dabei vorgesehen, zunächst die beiden hinteren Zitzen anzusetzen und dann erst die beiden vorderen Zitzen. Ob dabei zunächst jeweils zuerst an die linke oder die rechte der hinteren bzw. später der vorderen Zitzen angesetzt wird, ist davon abhängig, welche der Zitzen besser sichtbar ist.
Wenn bei der ersten oder einer nachfolgenden Ausführung im Schritt S7 dagegen festgestellt wird, dass die anzusetzende Zitze 20 schräg steht, verzweigt das Verfahren zu einem Schritt S8‘ anstelle des Schrittes S8.
In diesem Schritt S8‘ wird die Ansetzposition gegenüber der Position P21 der Zitzenspitze 21 um einen Versatz ∆P korrigiert, der anhand der Ausrichtung R20 der Zitze 20 bestimmt wird. Bevorzugt verläuft der Versatz ∆P in Richtung der Projektion des Richtungsvektors R20 auf eine horizontale Ebene. Der Betrag des (dann lateralen) Versatzes ∆P ist bevorzugt ein vorbestimmter Anteil der Länge der Projektion des Richtungsvektors R20 in der horizontalen Ebene. Der vorbestimmte Anteil kann bevorzugt 30%–70% und insbesondere 45%–55% betragen. Wird beispielsweise ein Anteil von 50% gewählt, bedeutet dieses, dass die Ansetzposition unterhalb der schrägstehende Zitze 20 liegt, und zwar im Beispiel genau mittig zwischen der Zitzenspitze 21 und dem Ansatzpunkt der Zitze 20 am Euter. Der Anteil kann als Faktor zwischen 0 und 1 ausgedrückt werden, mit dem die Länge des projizierten Richtungsvektors R20 multipliziert wird.
Danach wird das Verfahren wie zuvor mit dem Schritt S9 fortgeführt, in dem der Melkbecher 7 an die bestimmte Ansetzposition gefahren wird und unter Beaufschlagung der Öffnung mit Vakuum angehoben wird.
Die von der Zitzenspitze 21 aus in Richtung des Ansatzpunktes am Euter verschobene Ansetzposition führt dann zu der in 3b gezeigten Situation, in der die schräg stehende Zitze 20 weiter schräg gestellt wird, bis sie mit einem vorderen Abschnitt über der Öffnung des Zitzenbechers 7 liegt. Spätestens in der Position wird sie vom Vakuum an der Öffnung des Zitzenbechers 7 eingesogen und gleitet, wie 3c zeigt, in den Zitzenbecher hinein. Ein nachfolgendes weiteres Anheben des Zitzenbechers 7 (3d) führt zu einem erfolgreichen Ansetzen.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die (laterale) Verschiebung ∆P abhängig von der Länge der Projektion des Richtungsvektors R20 und somit sowohl von der Länge der Zitze 20, als auch von dem Winkel der Schrägstellung gegenüber der vertikalen Ausrichtung. Abhängig vom Blickwinkel des 3D-Sensors 10 kann häufig zwar die Schrägstellung der Zitze 20 im Bereich der Zitzenspitze 21 aus den Daten des 3D-Sensors 10 bestimmt werden, der Ansatzpunkt der Zitze 20 am Euter jedoch nur mit großer Ungenauigkeit ermittelt werden. Es ist dann alternativ möglich, die (laterale) Verschiebung ∆P nur anhand der Schrägstellung der Zitze 20 unter Annahme einer vorbestimmten Länge der Zitze 20 festzulegen. Die vorbestimmte Länge kann beispielsweise tier- oder gattungsspezifischen hinterlegten Daten entnommen werden.
Die korrekte Erkennung, dass – unter eventueller Berücksichtigung von Toleranzen – überhaupt eine Schrägstellung vorliegt, und auch die Bestimmung der Richtung dieser Schrägstellung sind dagegen von Bedeutung für einen erfolgreichen Ansetzvorgang. Die korrekte Erkennung der Schrägstellung kann durch eine Tierbewegung erschwert werden. Insbesondere bei 3D-Sensoren, die Abstandsdaten im Bildbereich sukzessiv erfassen, z.B. bei sogenannten 3D-Laserscannern, führt eine Bewegung des Tiers zu einer Bildverzerrung, die entweder in einer scheinbaren Schrägstellung resultiert oder die eine tatsächliche Schrägstellung kompensiert. Das anmeldungsgemäße Verfahren kann daher vorteilhaft mit solchen Methoden zur Erfassung von Abstandsdaten eingesetzt werden, die die Abstandsdaten im Wesentlich zeitgleich für den gesamten Bildbereich liefern. Besonders vorteilhaft ist diesbezüglich das TOF-Verfahren, bei dem Abstandsinformationen zu jedem Bildpunkt zum gleichen Aufnahmezeitpunkt und in Echtzeit mit hoher Bildwiederholfrequenz bestimmt werden. Auch in Echtzeit ausgewertete stereoskopische Aufnahmen können zeitgleich erfasste Abstandsinformationen für alle Bildpunkte liefern und können daher vorteilhaft eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Roboterarm
2: erste Schwenkachse
3: Halter
4: zweite Schwenkachse
5: Melkzeugträger
6: Melkzeug
7: Melkbecher
8: Milch- und Vakuumschläuche
9: Segmentelement
10: Sensor
11: Lichtquelle
20: Zitze
21: Zitzenspitze
P21: Position der Zitzenspitze
R20: Richtungsvektor
P7: Position des Melkbechers
∆P: Versatz
S1–S10, S8‘: Verfahrensschritte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2007/104124 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum automatischen Ansetzen von Melkbechern (7) an Zitzen (20) eines milchgebenden Tieres, insbesondere einer Kuh, mit den folgenden Schritten: – Erstellen einer zweidimensionalen Abbildung von Zitzen (20) des Tieres, wobei Abstandsinformationen für zumindest eine Mehrzahl von Bildpunkten der zweidimensionalen Abbildung vorliegen; – Auswerten der zweidimensionalen Abbildung und der Abstandsinformationen und Ermitteln mindestens einer Position (P21) von zumindest einer Zitzenspitze (21) einer der Zitzen (20) sowie einer Ausrichtung der Zitze (20) in einem vorgegebenen Koordinatensystem; – Feststellen, ob die Zitze (20) eine Schrägstellung aufweist; und – Ansetzen eines der Melkbecher (7) an der Position (P21) der Zitzenspitze (21), falls eine Schrägstellung nicht festgestellt wird, oder – Ansetzen des Melkbechers (7) an einer Ansetzposition, die gegenüber der Position (P21) der Zitzenspitze (21) um einen Versatz (∆P) verschoben ist, der abhängig von der Schrägstellung bestimmt wird, falls eine Schrägstellung festgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Ausrichtung der Zitze (20) durch einen Richtungsvektor (R20) beschrieben wird, der von der Zitzenspitze (21) in Richtung eines Ansatzes der Zitze (20) am Euter weist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Versatz (∆P) anhand einer Projektion des Richtungsvektors (R20) in eine horizontale Ebene bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Länge des Richtungsvektors (R20) der Länge der Zitze (20) entspricht und bei dem der Versatz (∆P) gleich der Länge der Projektion des Richtungsvektors (R20) in die horizontale Ebene multipliziert mit einem vorgegebenen Faktor ist.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der vorgegebene Faktor zwischen 0,3 und 0,7 und bevorzugt zwischen 0,45 und 0,55 liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem die Länge der Zitze (20) aus der zweidimensionalen Abbildung und den Abstandsinformationen bestimmt wird.
Verfahren nach einem der der Ansprüche 3 bis 5, bei dem die Länge der Zitze (20) tierindividuell oder gattungsindividuell vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Abstandsinformationen zu der Mehrzahl der Bildpunkte einer 2D-Abbildung im Wesentlich gleichzeitig bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die 2D-Abbildung mithilfe eines Time-Of-Flight Sensors erstellt wird, der eine Mehrzahl von Bildpunkten aufweist, wobei für jeden der Bildpunkte Abstandsinformationen in einem Phasendetektionsverfahren ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem in der 2D-Abbildung auch mindestens ein anzusetzender Melkbecher (7) erfasst wird und eine Position (P7) des Melkbechers (7) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Melkbecher (7) unter Berücksichtigung der ermittelten Position (P21) der Zitzespitze (21) im vorgegebenen Koordinatensystem sowie der ermittelten Position (P7) des Melkbechers (7) in dem gleichen Koordinatensystem angesetzt wird.
Vorrichtung zum automatischen Ansetzen von Melkbechern (7) an Zitzen (20) eines milchgebenden Tieres, insbesondere einer Kuh, aufweisend eine Ansetzvorrichtung und einen Sensor (10) zur Erfassung einer zweidimensionalen Abbildung der Zitzen des Tieres und von Abstandsinformationen für zumindest eine Mehrzahl von Bildpunkten der zweidimensionalen Abbildung, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der zuvor genannten Ansprüche eingerichtete Ablaufsteuerung aufweist, die Informationen von dem Sensor (10) auswertet und die Ansetzvorrichtung ansteuert.