DE102017010051A1

DE102017010051A1 - Melkroboter

Info

Publication number: DE102017010051A1
Application number: DE102017010051.9A
Authority: DE
Inventors: Dirk Kraaij; Michiel Brevet
Original assignee: Lely Patent NV
Current assignee: Lely Patent NV
Priority date: 2016-10-28
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2018-05-03
Also published as: US10609896B2; US20180116172A1; NL2017686B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Melksystem (1) aus einer Melkbox (2) mit Melkbechern (4) und einem Roboterarm (3) mit einem Endeffektor zum Ansetzen der Melkbecher (4) an die Zitzen eines Melktiers (100). Der Roboterarm (3) hat einen mittels eines ersten Armgelenks (17) mit der Melkbox (2) verbundenen ersten Roboterarmteil (3-1) und einen mittels eines zweiten Armgelenks (18) mit dem ersten Roboterarmteil (3-1) verbundenen zweiten Roboterarmteil (3-2). Der erste bzw. zweite Roboterarmteil (3-1, 3-2) ist in einer vertikalen Ebene verschwenkbar. Der Roboterarm (3) umfasst eine Gewichtsausgleichvorrichtung (20) zur Ausübung eines Drehmoments um das erste Armgelenk (17) und um das zweite Armgelenk (18). Die Drehmomente gleichen mindestens zur Hälfte das Drehmoment aus, das die Schwerkraft um das erste Armgelenk und das zweite Armgelenk ausübt.

Description

Die Erfindung betrifft ein automatisches Melksystem zum automatischen Melken eines Melktiers, bestehend aus einer Melkbox mit mehreren Melkbechern und einem Roboterarm mit einem Endeffektor zum Ansetzen der Melkbecher an den Zitzen des Melktiers.
Melksysteme in Form von Melkrobotern sind allgemein bekannt. In der Praxis werden an solche automatische Melksysteme unterschiedliche und harte Anforderungen gestellt. So bewegt sich der Roboterarm des Melksystems auch unter dem Melktier und kann Tritten des Melktiers ausgesetzt sein. Daher sind die Roboterarme meist sehr robust gestaltet. Umgekehrt muss auch die Sicherheit des Tiers bei Einsatz des Roboterarms höchstmöglich gewährleistet werden. Zudem unterscheiden sich die Maße einzelner Melktiere stark voneinander, sodass der Roboterarm in einem relativ großen Arbeitsbereich bewegt werden muss. Ein weiteres Problem ist, dass die Betriebsumgebung eines Melkstandes durch aggressive Dämpfe und gelegentliche hohe Gülle- oder Urinspritzer stark verschmutzt sein kann. Ferner steht ein Melksystem mit einem Melkroboter grundsätzlich im Dauerbetrieb und hat dadurch einen hohen Energieverbrauch.
In der Praxis hat sich gezeigt, dass die bekannten automatischen Melksysteme für die obengenannten Anforderungen oder Betriebsumgebungen schlecht geeignet sind. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein automatisches Melksystem zur Verfügung zu stellen, das zumindest einen Teil der obengenannten Anforderungen besser erfüllt.
Die Lösung der Aufgabe wird mit einem automatischen Melksystem gemäß Anspruch 1 erzielt.
Zur Lösung der Aufgabe ist insbesondere ein automatisches Melksystem zum automatischen Melken eines Melktiers vorgesehen, bestehend aus einer Melkbox mit mehreren Melkbechern und einem Roboterarm mit einem Endeffektor zum Ansetzen der Melkbecher an den Zitzen des Melktiers, wobei an der Melkbox der Roboterarm oberhalb des zu melkenden Melktiers aufgehängt ist und der Roboterarm ein mittels eines ersten Gelenks mit der Melkbox verbundenes erstes Roboterarmteil und ein mittels eines zweiten Gelenks mit dem ersten Roboterarmteil verbundenes und mit einem Endeffektor ausgestatteten zweites Roboterarmteil umfasst. Das erste Roboterarmteil ist mit einem ersten Aktor bezüglich der Melkbox in einer vertikalen Ebene verschwenkbar und das zweite Roboterarmteil ist mit einem zweiten Aktor bezüglich des genannten ersten Roboterarmteils in einer vertikalen Ebene verschwenkbar, wobei der Endeffektor durch den Roboterarm innerhalb eines Arbeitsbereichs bewegt werden kann. Der Melkroboter umfasst ferner eine Gewichtsausgleichvorrichtung mit einer Federvorrichtung, die zwischen der Melkbox und dem Roboterarm angreift und zur Ausübung eines ersten Drehmoments um das erste Gelenk und eines zweiten Drehmoments um das zweite Gelenk eingerichtet ist. Über den Arbeitsbereich betrachtet gleicht das erste Drehmoment das Drehmoment, das die Schwerkraft auf den Roboterarmteil um das erste Gelenk ausübt, mindestens zur Hälfte, insbesondere mindestens zu 90% aus. Das zweite Drehmoment gleicht das Drehmoment, das die Schwerkraft auf den Roboterarmteil um das zweite Gelenk ausübt, mindestens zur Hälfte, insbesondere zu mindestens 90% aus.
Hervorzuheben ist, dass das erste Roboterarmteil bzw. das zweite Roboterarmteil insbesondere vom ersten Aktor bzw. vom zweiten Aktor ausschließlich in einer vertikalen Ebene verschwenkbar ist, was der gesamten Konstruktion und insbesondere den Gelenken Robustheit verleihen kann. Es kann vorteilhaft sein, die gesamte Konstruktion des Roboterarms horizontal verfahrbar auszubilden, z. B. entlang einer Führungsschiene. Für den Gewichtsausgleich und die sonstigen Vorteile der Erfindung wirkt sich die Verfahrbarkeit nicht aus.
Mit den beiden Roboterarmteilen und den beiden Gelenken ist in einfacher Weise ein ausreichend großer Arbeitsbereich geschaffen, wobei die Gelenke hoch oberhalb des Bodens angeordnet werden können. Es ist sogar auf einfache Weise möglich, die Gelenke auch räumlich oberhalb des zu melkenden Melktiers anzuordnen, wie im Folgenden erläutert wird.
Mit dem Begriff des ersten bzw. zweiten „Drehmoment der Schwerkraft auf den Roboterarm“ ist im Prinzip das Drehmoment um das erste bzw. zweite Gelenk angegeben, das durch die Schwerkraft auf alle Roboterarmteile ausgeübt wird, die in einer vertikalen Ebene beweglich sind. Diesem ersten bzw. zweiten durch die Schwerkraft auftretenden Drehmoment wird gemäß der Erfindung entgegengewirkt, bzw. es wird durch die von der Gewichtsausgleichvorrichtung auf den Roboterarm wirkende Federkraft ausgeglichen, wobei der mindestens eine Angriffspunkt, die Größe und Richtungen der Komponenten der Federkraft entsprechend der Geometrie und Massenverteilung des Roboterarms/der Roboterarmteile gewählt werden. Dies wird anhand einiger Beispiele im Folgenden näher erläutert.
Der Erfindung liegt im Prinzip eine Kombination von Merkmalen zugrunde. So sorgt die hohe Aufhängung des Roboterarms sowie der Gelenke zwischen den Roboterarmteilen dafür, dass ein großer Teil der empfindlicheren Teile - wie die Gelenke - vor direkter Verschmutzung durch Gülle- und Urinspritzer geschützt sind. Die Bewegung des Endeffektors z. B. in horizontaler Richtung wird dabei durch das Verschwenken der Roboterarmteile um höher befindliche Drehpunkte erreicht. Die Kombination der Roboterarmteile und Gewichte ermöglicht eine kompakte Konstruktion des Roboterarms, insbesondere im Vergleich mit einem kartesisch bewegten Roboterarm.
Durch die hohe Aufhängung und die Verschwenkbarkeit in der vertikalen Ebene ist das gesamte Gewicht des Arms zu bewegen und zu tragen. Dies wird gemäß der Erfindung durch die Gewichtsausgleichvorrichtung ausgeglichen. Diese Gewichtsausgleichvorrichtung sorgt dafür, dass das zu bewegende Nettogewicht durch den Ausgleich des Kraftmoments der Schwerkraft geringer erscheint. Dadurch wird das zur Bewegung des Roboterarms erforderliche Drehmoment der Aktoren - z. B. elektrischer Aktoren - gesenkt, sodass die Aktoren kleiner gebaut sein können und die gesamte Konstruktion des Roboterarms leichter und kompakter wird. Die Gewichtsausgleichvorrichtung sorgt auch dafür, dass für die Bewegungen des Arms im Arbeitsgebiet weniger Kraft und somit insgesamt weniger Energie benötigt wird. Dies steigert die inhärente Sicherheit der Melktiere, da einerseits die vom Roboterarm ausgeübten Kräfte um einiges geringer sind und andererseits sich das Melktier, aber z. B. auch eine Bedienungsperson einfacher aus einer Einklemmung befreien kann bzw. den Roboterarm wegdrücken kann. Aufgrund dieser Kombination von Merkmalen und Eigenschaften erfüllt das automatische Melksystem gemäß der Erfindung die genannten Anforderungen besser.
An sich ist aus der EP 0 300 115 A1 ein Roboterarm mit kartesischen Antrieben mit drei jeweils rechtwinklig zueinander angeordneten Führungen bekannt. Hierbei bestehen aber keine Probleme mit dem Gewichtsausgleich, denn die vertikalen Bewegungen können mit einem Flaschenzug und einem Gegengewicht ausgeglichen werden. Der Roboterarm ist jedoch empfindlicher für die Verschmutzung der Melkbecher. Die gesamte Konstruktion ist bei selber Größe des Arbeitsbereichs weniger kompakt.
Aus der WO 02/102142 ist ein Roboterarm mit elektrischen Antrieben bekannt. Im Dokument werden jedoch weder Ausführungsdetails des Roboterarms noch Vorteile dieses Antriebs oder sonstige Vorteile hinsichtlich der obengenannten Anforderungen an automatische Melksysteme genannt.
Weiterbildungen der Erfindung werden in den weiteren Ansprüchen sowie dem folgenden Teil der Beschreibung beschrieben.
In Ausführungsbeispielen ist oder umfasst mindestens einer, insbesondere jeder der Aktoren ein elektrischer Aktor, wie z. B. eine Antriebsspindel. Dies bietet den Vorteil, dass der Aktor bei einer Störung wie dem Ausfall der Stromversorgung nicht auf den Boden fällt, sondern im Prinzip aufgrund der inneren Reibung stehen bleibt. Bei einer Störung wird so das Verschmutzungsrisiko insbesondere für die Melkbecher verringert. Die interne Reibung der Aktoren ermöglicht wegen des Gewichtsausgleichs auch eine zusätzliche Energieeinsparung im Vergleich zu nicht ausgeglichenen automatischen Melksystemen mit elektrischen Aktoren. Letztere müssen schließlich -auch wenn der Roboterarm eine bestimmte Position etwa unter einem Melktier einnimmt - im Prinzip während des Betriebs ständig mit Strom versorgt werden. Dies führt zu einem höheren Energieverbrauch als z. B. bei pneumatischen oder hydraulischen Aktoren, die eine Position ohne Energieverbrauch halten können, indem der Flüssigkeitsstrom durch das Schließen eines Ventils gesperrt wird. Durch die vorliegende Erfindung kann das tatsächliche oder scheinbare Gewicht der zu bewegenden Elemente für die Aktoren derartig gesenkt sein, dass die Reibung die Funktion des genannten Ventils mehr oder weniger übernehmen kann. Ansonsten ist der Energieverbrauch auch bei einer sehr geringen Reibung um einiges niedriger, da das dann erforderte kontinuierliche Drehmoment noch immer um mindestens die Hälfte und in vorteilhaft um ungefähr bis zu 90% gesenkt werden kann.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist oder umfasst mindestens einer, insbesondere jeder der Aktoren ein pneumatischer Aktor. Ein Vorteil der Erfindung ist dabei, dass auch dieser leichter und kleiner ausgeführt werden kann, was bedeutet, dass der Aktor bei der Bewegung des Roboterarms weniger gereinigte und temperierte Luft und Energie verbraucht. Da dieser im Prinzip ständig im Betrieb ist, kann auch hier die Einsparung beträchtlich sein. Wie bereits ausgeführt, sind auch andere Aktoren möglich, wie ein hydraulischer Aktor, der ebenfalls leichter ausgeführt sein kann.
In Ausführungsformen ist die Federvorrichtung an einem ersten Ende mit der Melkbox und an einem zweiten Ende mittels einer ersten Koppelstange mit dem ersten Roboterarmteil und mittels einer zweiten Koppelstange mit dem zweiten Roboterarmteil verbunden. Bei einer derartigen Konstruktion kann das scheinbare Gewicht des Roboterarms im vom Melkroboter benötigten Arbeitsbereich um mehr als die Hälfte, insbesondere mindestens zu 90% reduziert werden. Bei der Federvorrichtung kann es sich um eine Schraubenfeder, eine Gasfeder oder dgl. handeln. Eine Gasfeder bietet den Vorteil, dass sie z. B. mit einem Überlastschutz kombiniert werden kann.
Vorteilhaft ist die Federvorrichtung auf diese Weise dazu geeignet, zwei verschiedene Drehmomente auszuüben, sodass die jeweiligen Drehmomente der Schwerkraft auf das erste und zweite Gelenk weitgehend ausgeglichen werden können. Insbesondere sind der Schwerpunkt und damit die Drehmomente der Schwerkraft durch die Lageveränderung des Roboterarms - bedingt durch das Verschwenken um die beiden Gelenke -variabel. Die Längen und Ausrichtungen der Koppelstangen können entsprechend angepasst werden.
Insbesondere ist die erste Koppelstange mittels des ersten Armteils mit einer von der Melkbox abgewandten Hälfte des ersten Roboterarmteils verbunden und die zweite Koppelstange ist mittels des zweiten Armteils mit einer zum ersten Roboterarmteil gewandten Hälfte des zweiten Roboterarmteils, insbesondere mit einem mit dem ersten Roboterarmteil verbundenen Drittel des zweiten Roboterarmteils verbunden.
Dabei bezeichnet „Hälfte“ bzw. „Drittel“ jenen Teil des Roboterarmteils, dessen Länge der halben Länge bzw. einem Drittel der Länge jenes Roboterarmteils entspricht. Die betreffenden Koppelstangen sind dann innerhalb des betreffenden Teils des Roboterarmteils damit verbunden. Auf diese Weise können Kräfte und Momente optimiert werden, ohne im Allgemeinen die Kompaktheit und den Arbeitsbereich des Roboterarms oder des Melksystems zu stark zu beeinflussen.
In einem besonderen Ausführungsbeispiel des Melksystems nach der Erfindung umfasst der Endeffektor vier Melkbecherhalter, die jeweils einen Melkbecher aufnehmen. Die Melkbecherhalter sind insbesondere alle unmittelbar mit dem Endeffektor und somit mit dem Roboterarm verbunden. Dadurch trägt der Endeffektor außerhalb des Betriebs des Melksystems - wie z. B in Melkpausen - alle vier Melkbecher auf den jeweiligen Melkbecherhaltern. Ein derartiger Roboterarm ist größer und schwerer als ein Roboterarm, der die Melkbecher einzeln greift und ansetzt, weshalb der Nutzen der vorliegenden Erfindung für einen derartigen Roboterarm noch größer ist. Ein Beispiel für einen derartigen Roboterarm, der diese Ausführungsform nutzen könnte wäre der Lely Astronaut®, der mit einem Endeffektor mit vier Melkbechern ausgestattet ist. Hervorzuheben ist, dass der Roboterarm weitere Baugruppen tragen kann, wie z. B. ein Zitzenerkennungssystem, einen Bürstensatz, andere Vorbehandlungsvorrichtungen für die Zitzen usw.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, die eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung zeigen, in denen insbesondere

1 in sehr schematischer Ansicht ein automatisches Melksystem gemäß der Erfindung zeigt,
2 in perspektivischer Ansicht ein alternatives automatisches Melksystem zeigt,
3 einen schematischen Querschnitt eines Details eines automatischen Melksystems gemäß der Erfindung zeigt,
4 schematisch ein Kräfteschema bei Einsatz des automatischen Melksystems gemäß der Erfindung zeigt,
5 vergrößert und schematisch eine Ausführung mit einer anderen Verstelllage des Roboterarms zeigt und
6 vereinfacht und schematisch nicht maßstabsgerecht die in 5 auftretenden Kräfte zeigt.

1 zeigt sehr schematisch von der Seite ein automatisches Melksystem 1 gemäß der Erfindung. Das Melksystem 1 umfasst eine Melkbox, auf die als Ganzes mit der Bezugszeichen 2 verwiesen wird, sowie einen Roboterarm 3 mit Melkbechern 4.
Die Melkbox 2 umfasst obere Querbalken 10 und obere Längsbalken 11 sowie Pfosten 12 und einen mittleren Längsbalken 13. Mit dem Bezugszeichen 20 wird sehr schematisch eine Gewichtsausgleichvorrichtung angegeben.
Auf das Melktier wird mit dem Bezugszeichen 100 verwiesen, es hat einen Euter 101 mit Zitzen 102.
Das gezeigte automatische Melksystem 1 dient zum Anschließen der Melkbecher 4 an die Zitzen 102 des Melktiers 100. Dazu umfasst das Melksystem 1 in 1 nicht gezeigte Aktoren zum Bewegen des Roboterarms 3 und zur Steuerung der einzelnen Teile des Roboterarms, um die Melkbecher 4 zu den Zitzen 102 zu bewegen. Dies wird in 3 eingehender dargestellt. Gemäß der Erfindung umfasst das Melksystem 1 eine Gewichtsausgleichsvorrichtung 20, auf die ebenfalls bei 3 näher eingegangen wird.
2 zeigt ein alternatives automatisches Melksystem 1', bei dem ähnliche Teile wie in 1 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet werden, die eventuell mit einem Hochstrich versehen sind. Der Roboterarm 3' umfasst hier eine Aufhängung, die oben an der Melkbox 2 um eine vertikale Achse entsprechend dem Pfeil A drehbar ist, sowie einen Greifer zum Greifen der Melkbecher 4 aus einem Melkzeug 6, wobei der Greifer von den hier gezeigten Aktoren 8 in den Pfeilrichtungen B und C bewegt werden kann.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Details eines automatischen Melksystems 1 gemäß der Erfindung. Gezeigt wird der Roboterarm 3, der an einem oberen Wagenteil 14 und einem unteren Wagenteil 15 aufgehängt ist, die untereinander mit dem Wagenbalken 16 verbunden sind. Der Roboterarm 3 umfasst ein erstes oder oberes Roboterarmteil 3-1, ein zweites oder mittleres Roboterarmteil 3-2 sowie ein optionales unteres Roboterarmteil 3-3 oder einen Endeffektor. Der Roboterarm 3 umfasst ferner ein erstes Armgelenk 17, ein zweites Armgelenk 18 und ein optionales drittes Armgelenk 19. Ferner sind - jedoch sehr schematisch - als Aktoren ein erster Armzylinder 21 und ein optionaler zweiter Armzylinder 23 abgebildet, die jeweils mittels ersten Zylindergelenken 22 und zweiten Zylindergelenken 24 zwischen dem Wagenbalken 16 und den jeweiligen Roboterarmteilen befestigt sind.
Ferner ist eine Gewichtsausgleichvorrichtung 20 in Form einer Gasfeder 25 abgebildet, die mittels eines Gelenks 26 der Gasfeder 25 am unteren Wagenteil 15 sowie an einer ersten Koppelstange 30 und einer zweiten Koppelstange 32 befestigt ist, die unter Bildung eines Scharniers im Gelenk 26 der Gasfeder 25 und dem ersten Gelenk 31 der Koppelstange 30 bzw. dem zweiten Gelenk 33 der Koppelstange 32 mit dem ersten Roboterarmteil 3-1 bzw. zweiten Roboterarmteil 3-2 verbunden sind. In 3 ist der Aktor zwischen dem Wagenbalken 16 und dem ersten Armteil 3-1 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt, der ohne die Gewichtsausgleichvorrichtung 20 das größte Gewicht tragen müsste. Dies wird jedoch in 4 deutlich dargestellt.
Der abgebildete Roboterarm 3 kann die Melkbecher 4, die sich in Melkbecherhaltern 5 befinden, in den Grenzen des mit gestrichelten Linien angegeben Arbeitsbereich 40 mittels der Aktoren bewegen. Der Arbeitsbereich 40 kann so groß sein - und zum Beispiel von weit außerhalb der Melkbox 2 bis zur Mitte der Melkbox 2 reichen -, dass sich der Nettoschwerpunkt des gesamten Roboterarms 3 über einen relativ großen Abstand bewegen kann. Um in diesem relativ großen Arbeitsbereich 40 dennoch einen ausreichend effektiven Gewichtsausgleich zu erzielen, muss die Gasfeder 25 geeignet betreffenden dem Roboterarmteil 3-1 und in diesem Fall dem Roboterarmteil 3-2 positioniert werden. Eine günstige Lage der Gasfeder 25 kann auf Basis von Berechnungen z. B. einem mathematisch-kinematischen Modell, mit dem die Netto-Schwerkraftentlastung als eine Funktion der Bemessungsparameter sowie dem Arbeitsbereich des Arms sowie einer Methode der kleinsten Quadrate berechnet werden. Die Methode ermöglicht es, optimale Kombinationen von Bemessungsparametern des Modells in Abhängigkeit vom gewünschten Arbeitsbereich und dem Schwerpunkt des Arms zu berechnen oder durch Versuche richtig bezüglich der um die Gasfeder 25 betreffend dem Roboterarmteil 3-1 und in diesem Fall dem Roboterarmteil 3-2 zu positionieren. Dazu wird die Gasfeder 25 nicht lediglich mit einer Koppelstange mit einem Roboterarmteil verbunden, sondern mittels einer ersten Koppelstange 30 und einer zweiten Koppelstange 32 mit zwei Roboterarmteilen 3-1 und 3-2. Daher bewegen sich bei einer Lageveränderung des Roboterarms 3 und somit einer stärkeren Verschiebung des Schwerpunkts die Richtung und der Angriffspunkt der Federkraft der Gasfeder 25 und deren Komponenten, die über die Koppelstangen 30 und 32 wirken, auf zweckmäßige Weise entsprechend mit.
Insbesondere ist die Einteilung des Roboterarms in ein erstes, ein zweites und ein drittes Roboterarmteil 3-1, 3-2 und 3-3 optional. Es reicht aus, wenn lediglich ein erstes Roboterarmteil 3-1 und ein zweites Roboterarmteil 3-2 mit Endeffektor vorhanden sind. Dies bietet den Vorteil, dass die Armgelenke 17 und 18 beide räumlich hoch und somit weit entfernt von Urin- und Güllespritzern angebracht werden können.
Dies kann z. B. erreicht werden, indem das Armgelenk 19 starr - entsprechend einer Schweißnaht - ausgeführt ist, sodass die Roboterarmteile 3-2 und 3-3 starr zu einem gemeinsamen Roboterarmteil miteinander verbunden sind. In manchen Fällen kann das Armgelenk 19 mit dem Armzylinder 23 jedoch Vorteile bieten, z. B. als Überlastschutz bei Kuhtritten. Der Armzylinder 23 dient dann als Gasfeder, die sich lediglich bei einer sehr hohen Belastung wie einem Kuhtritt oder Ähnliches ausdehnt und dann dem Armteil 3-3 erlaubt, sich um das Armgelenk 19 zu drehen. Diese Ausführung kann schneller reagieren als eine Ausführung, bei der sich der gesamte Arm mit den Roboterarmteilen 3-2 und 3-3 drehen müsste.
Es bietet Vorteile, wenn der erste Angriffspunkt der ersten Koppelstange 30 - d. h. das erste Koppelgelenk 31 der Koppelstange 30 - mit dem ersten Roboterarmteil 3-1 verbunden ist und entweder in der Mitte des Roboterarmteils 3-1 oder zwischen dieser Mitte und dem ersten Armgelenk 17 liegt. Weitere Vorteile ergeben sich, wenn der Angriffspunkt der zweiten Koppelstange 32 - d. h. das zweite Koppelgelenk 33 der zweiten Koppelstange 2 - sich höchstens in der Mitte des zweiten Roboterarmteils 3-2 befindet; vorteilhaft ist eine Position zwischen dem zweiten Armgelenk 18 und einem Punkt, der auf einem Drittel der Länge des zweiten Roboterarmteils 3-2 liegt. Ist die Koppelstange derart mit der Gasfeder 25 verbunden, kann Letztere das Kraftmoment der Schwerkraft auf den Roboterarm 3 im Arbeitsbereich 40 größtenteils aufheben, sowohl ein erstes Kraftmoment um das Armgelenk 17 als auch ein zweites Kraftmoment um das Armgelenk 18. Daher sind die Kraftmomente insbesondere des ersten Armzylinders 21 und des hier nicht abgebildeten Aktors, der den ersten Roboterarmteil 3-1 bewegt, bezüglich des oberen Wagenteils 14 viel geringer als ohne Gewichtsausgleich.
Der in diesem Ausführungsbeispiel abgebildete Roboterarm 3 umfasst vier Melkbecher 4 in vier Melkbecherhaltern 5. Der gesamte Roboterarm 3 wird daher schwerer sein als z. B. die Ausführungsform des Roboterarms 3' in 2, der lediglich einen Melkbecher 4 zu tragen hat, ohne Melkbecherhalter. Der Roboterarm 3 in 3 - jedenfalls der Endeffektor - muss zudem größer und breiter sein, um die vier Melkbecher 4 tragen zu können. Da ferner der Roboterarm 3 bzw. 3' in beiden Fällen ausreichend robust konstruiert sein muss, um z. B. gegen Tritte von Melktieren beständig zu sein, ist das Gesamtgewicht eines solchen Roboterarms 3 bzw. 3' häufig sehr hoch.
In einem praktischen Beispiel hat der Roboterarm 3 z. B. eine Masse von ca. 100 kg. Durch den Gewichtsausgleich scheint diese Masse - wenn man die auszuübenden Kräfte betrachtet - auf höchstens ca. 10 kg reduziert zu sein, in einem großen Teil des Arbeitsbereichs 40 sogar auf unter 5 kg. Dies bedeutet, dass die erforderlichen Kraftmomente, die von den Aktoren auf die Roboterarmteile ausgeübt werden müssen, ebenfalls um den Faktor zehn bis zwanzig reduziert werden können. Die dafür erforderlichen Aktoren werden aufgrund des maximalen von ihnen erzeugten Drehmoments bemessen. Da das erforderliche maximale Drehmoment viel geringer ist als ohne Gewichtsausgleichvorrichtung, können die Aktoren kleiner sein.
Der Einfachheit halber wurde in diesem und den übrigen Ausführungsbeispielen von Aktoren in der Form von Zylindern ausgegangen. In dieser und sämtlichen anderen Ausführungsbeispielen können alternativ oder ergänzend auch elektrische Aktoren, z. B. Antriebsspindeln eingesetzt werden. Diese können ferner auch in die verschiedenen Gelenke eingebaut werden und z. B. mit einem Umlaufrädergetriebe versehen werden. Für die vorliegende Erfindung spielt die Wahl des Aktors jedoch eine untergeordnete Rolle.
4 zeigt schematisch das Kräfteschema der relevantesten Kräfte, die bei der Gewichtsausgleichsvorrichtung gemäß 3 auftreten. In 3 ist der Aktor 35 abgebildet, der mittels eines nicht näher dargestellten Scharniergelenks mit dem unteren Wagenteil 15 sowie mittels eines Gelenks, das mit a1 bezeichnet ist, mit dem ersten Roboterarmteil 3-1 verbunden ist. Die vom Aktor 35 ausgeübte Kraft ist hier schematisch als Vektor F₁ angegeben. Die vom Armzylinder 21 als Aktor auf das Armteil 3-2 ausgeübte Kraft ist als Vektor F₂ angegeben.
Die Gasfeder 25 zum Gewichtsausgleich, bei der es sich auch um einen anderen Federtyp handeln kann und die hier lediglich symbolisch zwischen den Gelenken 26 und den Koppelgelenken 31 und 33 wiedergegeben wird, hat eine Basislänge Lo; über die Koppelstangen 30 und 32 wird beim ersten Koppelgelenk 31 der Koppelstange 30 die Federkraftkomponente F_v1, auf das erste Armteil 3-1 sowie eine zweite Federkraftkomponente F_v2 beim zweiten Koppelgelenk 33 der Koppelstange 32 auf das zweite Armteil 3-2 ausgeübt.
Ferner wird die Position des Schwerpunkts 36 bei dieser Verstelllage des Roboterarms angegeben, in der die Schwerkraft W wirkt. Schließlich ist die Reaktionskraft W_r angegeben, die im ersten Armgelenk 17 auf den oberen Wagenteil 14 ausgeübt wird. Zu beachten ist, dass die Kraft F_v in der Regel etwa doppelt so groß ist wie jede der einzelnen Kräfte W und W_r.
Die Drehmomente der angegebenen Kräfte um ihre jeweiligen Drehpunkte - Armgelenk 17 bzw. Armgelenk 18 - sind einfach zu berechnen. Bei geeigneter Wahl der Position des ersten Koppelgelenks 31 der Koppelstange 30 und des zweiten Koppelgelenks 33 der Koppelstange 32 sowie der Länge der ersten Koppelstange 30 und der zweiten Koppelstange 32 abhängig von der Position des Schwerpunkts 36 kann erreicht werden, dass das Kraftmoment, das der Aktor 35 um das erste Armgelenk 17 ausüben muss, um den Faktor zwei bis zwanzig geringer ist, während das Kraftmoment, das vom Armzylinder 21 als Aktor um das zweite Armgelenk 18 ausgeübt werden muss, um den Faktor zwei bis zwanzig geringer wird.
In 5 wird ein Ausführungsbeispiel mit einer anderen Verstelllage des Roboterarms gezeigt, zu der in 6 vereinfacht und schematisch nicht maßstabsgerecht die entsprechenden Kräfte angegeben werden.
In 5 ist der Roboterarm bis weit in die Melkbox hinein eingeschwenkt. Dadurch befindet sich der Schwerpunkt 36 bezüglich der Armgelenke 17 und 18 an einer ganz anderen Position. Ohne Gewichtsausgleichvorrichtung müsste der vorzugsweise als Armzylinder 21 ausgebildete Aktor eine große Gegenkraft aufbringen, um das Drehmoment der Schwerkraft um die Armgelenke 18 und 17 auszugleichen. Von der Gewichtsausgleichvorrichtung in Form der Federvorrichtung mit den Koppelstangen 30 und 32 werden Gegenkräfte F'_v1 und F'_v2 ausgeübt, die zum Ausgleich der Drehmomente der Schwerkraft W um die Armgelenke 17 und 18 Drehmomente erzeugen. Beim Einschwenken wird die Federvorrichtung etwas auf die Länge L₁ zusammengedrückt, wodurch sich die Nettofederkraft F'_v ändert. Über die Koppelstangen 30 und 32 ändern sich die Gegenkräfte F'_v1 und F'_v2 ebenfalls und mit ihnen auch der Ausgleichseffekt der Kraftmomente. Die jetzt noch erforderliche Kraft F'₂ ist aufgrund des weitgehend ausgeglichenen Schwerkraftmoments kleiner als sie ohne die Gewichtsausgleichvorrichtung gemäß der Erfindung wäre.
Es ist vorteilhaft, wenn die Federvorrichtung eine hohe Vorspannung hat, wobei die maximalen Längendifferenzen über den Arbeitsbereich gering sind, z. B. höchstens 30%. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Kraftwirkung der Federvorrichtung insbesondere in der Richtung der Federkraft zum Ausdruck kommt. In 6 ist zu sehen, dass die Kraft F'₂ in eine andere Richtung wirkt, da hier der Schwerpunkt bezüglich des dazugehörigen Armgelenks 18 eine andere räumliche Lage hat als in 4. Um dennoch eine große Kraftreduktion zu erzielen, wirkt die Federkraft jetzt aufgrund der Komponente F'_v2 auch in umgekehrter Richtung. Um dies zu erreichen, muss die Anordnung der Koppelstangen 30 und 32 in 4 so ausgelegt werden, dass sich die Wirkrichtung der Federkraft rechtzeitig umdreht.
Insbesondere hängen die optimalen Positionen und Längen der Koppelstangen 30 und 32 und der Federkonstante der insbesondere als Gasfeder 25 ausgebildeten Federvorrichtung von der Geometrie des Roboterarms 3 und der Größe und Lage des gewählten Arbeitsbereichs 40 ab. Durch geeignete Werte ist eine Reduzierung der Kraftmomente um die Hälfte möglich. Bei optimaler Umsetzung der Erfindung mit angepassten Werten kann in einfacher Weise eine Momentenreduzierung um 90% bis 95% erzielt werden. So können z. B. eine Feder mit einstellbarer Federkonstante und zwei Koppelstangen 30 und 32 mit variabler Länge, die entlang der Roboterarmteile 3-1 und 3-2 verschiebbar sind, vorgesehen werden. Das Ablesen der Aktoren bietet ein gutes Bild der geeigneten Werte. Diese Optimierung durch Versuchen kann durch vorangegangene Berechnungen unterstützt werden.
Die gezeigten Ausführungsbeispiele sind nicht einschränkend gemeint, sondern dienen lediglich zur Erklärung und Veranschaulichung der Erfindung. Der Schutzumfang der Erfindung soll anhand der beigefügten Ansprüche und vorzugsweise unter Berücksichtigung der Beschreibung und der Zeichnungen bestimmt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0300115 A1 [0011]
WO 02/102142 [0012]

Claims

Automatisches Melksystem (1) zum automatischen Melken eines Melktiers (100), bestehend aus einer Melkbox (2) mit mehreren Melkbechern (4) und einem Roboterarm (3) mit einem Endeffektor zum Ansetzen der Melkbecher (4) an den Zitzen (102) des Melktiers (100), wobei an der Melkbox (2) der Roboterarm (3) oberhalb des zu melkenden Melktiers (100) aufgehängt ist, und der Roboterarm (3) ein mittels eines ersten Armgelenks (17) mit der Melkbox (2) verbundenes erstes Roboterarmteil (3-1) und ein mittels eines zweiten Armgelenks (18) mit dem ersten Roboterarmteil (3-1) verbundenes und mit einem Endeffektor ausgestattetes zweites Roboterarmteil (3-2) umfasst, wobei das erste Roboterarmteil (3-1) mit einem ersten Aktor bezüglich der Melkbox (2) in einer vertikalen Ebene verschwenkbar ist und das zweite Roboterarmteil (3-2) mit einem zweiten Aktor bezüglich des ersten Roboterarmteils (3-1) in einer vertikalen Ebene verschwenkbar ist, und der Endeffektor durch den Roboterarm (3) innerhalb eines Arbeitsbereichs (40) bewegt werden kann, wobei der Roboterarm (3) ferner eine Gewichtsausgleichvorrichtung (20) mit einer Federvorrichtung umfasst, die zwischen der Melkbox (2) und dem Roboterarm (3) angreift und zur Ausübung eines ersten Drehmoments um das erste Armgelenk (17) und eines zweiten Drehmoments um das zweite Armgelenk (18) eingerichtet ist, und dass über den Arbeitsbereichs (40) das erste Drehmoment das Drehmoment, das die Schwerkraft auf den ersten Roboterarmteil (3-1) um das erste Armgelenk (17) ausübt, mindestens zur Hälfte, insbesondere mindestens zu 90% ausgleicht, und das zweite Drehmoment das Drehmoment, das die Schwerkraft auf den zweiten Roboterarmteil (3-2) um das zweite Armgelenk (18) ausübt, mindestens zur Hälfte, insbesondere mindestens zu 90% ausgleicht.
Melksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer, insbesondere jeder der Aktoren ein elektrischer Aktor ist oder diesen umfasst.
Melksystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer, insbesondere jeder der Aktoren ein pneumatischer Aktor ist oder diesen umfasst.
Melksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federvorrichtung der Gewichtsausgleichvorrichtung (20) an einem ersten Ende mit der Melkbox (2) und an einem zweiten Ende mittels einer ersten Koppelstange (30) mit dem ersten Roboterarmteil (3-1) und mittels einer zweiten Koppelstange (32) mit dem zweiten Roboterarmteil (3-2) verbunden ist.
Melksystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Koppelstange (30) mittels eines ersten Armteils mit einer von der Melkbox abgewandten Hälfte des ersten Roboterarmteils (3-1) verbunden ist, und wobei die zweite Koppelstange (32) mittels eines zweiten Armteils mit einer zum ersten Roboterarmteil (3-1) gewandten Hälfte des zweiten Roboterarmteils (3-2), insbesondere mit einem mit dem ersten Roboterarmteil (3-1) verbundenen Drittel des zweiten Roboterarmteils (3-2) verbunden ist.
Melksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Endeffektor vier Melkbecherhalter (5) mit jeweils einem Melkbecher (4) umfasst.