DE68929537T2

DE68929537T2 - Vorrichtung zum automatischen Melken eines Tieres

Info

Publication number: DE68929537T2
Application number: DE68929537T
Authority: DE
Inventors: Edwin Van Der Lely; Karel Van Den Berg
Original assignee: C Van der Lely NV
Current assignee: C Van der Lely NV
Priority date: 1988-09-21
Filing date: 1989-09-20
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2009-09-21
Also published as: EP0647393B1; ES2087233T3; ATE114105T1; DE68919414D1; EP0467489A1; DE68929474T2; US5042428A; EP0640282B1; EP0472247A2; ATE124600T1; EP0647393A3; EP0360354A1; EP0480542B1; EP0472247B1; DE68929474D1; EP0647393A2; ES2064892T5; EP0360354B1; EP0553940A3; EP0643908B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum automatischen Melken von Tieren, wie z. B. Kühen, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der europäischen Patentanmeldung EP 0270165 A1 bekannt. Darin ist eine Unterkunft mit einer Melkstation beschrieben. Zum automatischen Anschließen von Zitzenbechern an das Euter einer in der Melkstation befindlichen Kuh ist ein Roboter mit einem Arm und mit Sensorvorrichtungen vorgesehen. In einem Melkbecher ist ein Temperatursensor zum automatischen Messen der Temperatur einer Zitze der Kuh angeordnet.
Beim automatischen Anschließen der Zitzenbecher an die Zitzen eines Tiereuters mittels eines Roboterarmes kann das Problem auftreten, daß ein Zitzenbecher an eine Zitze angeschlossen wird, die während des Vorganges abknickt, weswegen der tatsächliche Melkvorgang nicht stattfinden kann, obwohl ein für das Melken erforderliches Vakuum in dem Zitzenbecher erzeugt werden kann; der Zitzenbecher wird fest an eine Zitze des Tiereuters angesaugt. Allerdings kann keine Milch durch die Zitze strömen. Dieses Phänomen wird "Scheinmelken" genannt.
Zur Lösung der sich daraus ergebenden Probleme ist die oben beschriebene Vorrichtung gemäß der Erfindung durch die beanspruchten Merkmale gekennzeichnet.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und um zu zeigen, wie sie verwirklicht werden kann, wird im folgenden als Beispiel auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht eines an der Seite eines Melkstandes angeordneten Roboterarmes;
2 eine Draufsicht auf den Roboterarm;
3 eine Seitenansicht eines Teiles des in 2 gezeigten Roboterarmes;
4 eine Draufsicht auf den Endteil des Roboterarmes;
5 eine Seitenansicht des Roboterarm-Endteiles nach 4;
6 einen Teilschnitt nach der Linie VI-VI in 4;
7 eine Laservorrichtung mit zugehörigen elektrischen und elektronischen Elementen;
8 ein Diagramm zur Darstellung der Zitzenposition in bezug auf die Parameter des Lasers;
9 ein Blockschaltbild eines Steuerschaltkreises für das Anlegen der Zitzenbecher an die Zitzen eines Tiereuters;
10 ein Flußdiagramm des Zitzensuchvorganges, der in dem Mikroprozessor ausgeführt wird, der Bestandteil des in 9 gezeigten Schaltkreises ist, und
11 ein Flußdiagramm des Zitzenverfolgungsvorganges, der in dem Mikroprozessor ausgeführt wird, der Bestandteil des in 9 gezeigten Schaltkreises ist.
In den Zeichnungen sind entsprechende Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Erfindung ist nicht auf die hier gezeigte und beschriebene Ausführungsform beschränkt, die nur der Verdeutlichung des erfinderischen Gedankens dient.
Die 1 und 2 zeigen den Roboterarm gemäß der Erfindung; dieser Roboterarm ist an der Seite eines Melkstandes angeordnet. Nachdem ein zu melkendes Tier den Melkstand betreten hat und darin richtig positioniert worden ist, wird der Roboterarm auf der Basis von Tiererkennungs-Daten von vorne unter das Tiereuter bewegt.
Die Seitenansicht der Vorrichtung nach 1 zeigt ein sich im Melkstand aufhaltendes Tier 1, wobei der Melkstand von einer Einfassung 2 umgeben ist, die die Bewegungsfreiheit des Tieres 1 in seitlicher Richtung einschränkt. Das Tier betritt den Melkstand von hinten, während nahe der Vorderseite ein schwenkbarer Anschlag 3 angeordnet ist, der eine vordere Begrenzungsfläche für das Tier 1 bildet. Ist an der Vorderseite des Melkstandes beispielsweise ein Futterbehälter angebracht, so wird das Tier weit genug nach vorne treten, d. h. bis an den Anschlag 3.
Der Boden des Melkstandes weist eine Vertiefung auf, die derart ausgebildet ist, daß sich das Tier mit seinen Hinterbeinen nicht dort abstützt, beispielsweise weil der Boden sich schräg nach innen und unten erstreckt, so daß die Hinterbeine des Tieres weit gespreizt sind und zu beiden Seiten der Vertiefung stehen. Die Vertiefung kann einen Abfluß zum Abführen etwaiger Exkremente des Tieres aufweisen.
Sobald das Tier den Melkstand betreten hat, wird eine Sensorvorrichtung 4 gegen seine Rückseite geschwenkt. An der Seite des Melkstandes ist ein im wesentlichen vertikaler Rahmenträger 5 angeordnet, der an seinem oberen Ende eine Längsführung aufweist, und an dem nahe dem unteren Ende ein Roboterarm 6 angebracht ist. Der vertikale Rahmenträger 5 ist in bezug auf den Melkstand in Längsrichtung bewegbar, wie durch die Pfeile 7 angegeben. Zu diesem Zweck ist die Einfassung mit einer Führungsstange 8 versehen, an der zwei miteinander verbundene Gleitstücke 9, 10 bewegbar angeordnet sind; die Gleitstücke 9, 10 sind mittels eines horizontalen Rahmenträgers 11 verbunden, der an dem vertikalen Rahmenträger 5 befestigt ist. In Bodennähe ist der Rahmenträger 5 in einer Führungsschiene geführt, in der der untere Teil des Rahmenträgers 5 gleitet.
Die Sensorvorrichtung 4 ist mit einem Schlitten 13 schwenkbar verbunden, der mittels zweier Gleitstücke 14, 15 an der Führungsstange 8 ebenfalls verschiebbar angeordnet ist. Zwischen zwei Ansätzen 16, 17 ist ein Zylinder 18 angeordnet, der mit dem Schlitten 13 bzw. dem Gleitstück 10 starr verbunden ist; weiterhin ist zwischen dem Schlitten 13 und einem Träger 19 an der Einfassung 2 ein Zylinder 20 angeordnet. Durch Aktivie ren des Zylinders 20 kann die Sensorvorrichtung 4 in Richtung zu dem Tier bewegt werden, bis sie in der unteren Stellung an der Rückseite des Tieres zur Anlage kommt. Bei der vorliegenden Ausführungsform bestimmt die Sensorvorrichtung und damit die Rückseite des Tieres die Referenzposition; relativ zu ihr werden die Positionen der Zitzen und des Melkroboters bestimmt. Durch Heranführen der Sensorvorrichtung 4 an das Tier kann auch der Rahmenträger 5 bewegt werden, so daß die Lage der Sensorvorrichtung 4 und des Rahmenträgers 5 zueinander mittels des Zylinders 18 einstellbar ist.
Ein Roboterarm 6 ist mit dem Rahmenträger 5 höhenverschiebbar verbunden (Pfeile 21). Die Höhenverschiebung erfolgt mittels eines Zylinders 22, der mit seinem einen Ende die Rahmenträger 5 und 11 an deren Verbindungsstelle angreift. Das andere Ende des Zylinders 22 ist mit einem Gleitstück 23 verbunden, das in Abhängigkeit von der Betätigung des Zylinders 22 an dem Rahmenträger 5 entlang höhenbewegbar ist.
2 zeigt den Roboterarm 6 in der Ruhelage (strichlierte Linien) und in der Arbeitslage (durchgezogene Linien). Der Roboterarm 6 ist um einen im wesentlichen vertikalen Schwenkstift 24 schwenkbar mit dem Rahmenteil 25 verbunden, der an dem Gleitstück 23 befestigt ist. Diese Schwenkbewegung erfolgt mittels eines Zylinders 26, der an seinem einen Ende mit einem Träger 27 des Rahmenteiles 25 und an seinem anderen Ende mit dem ersten Abschnitt 28 des Roboterarmes 6 verbunden ist. Daraus ist ersichtlich, daß der Roboterarm 6 durch Betätigen des Zylinders 26 von der Ruhelage in die Arbeitslage und zurück schwenkbar ist. Es ist wichtig, daß der Roboterarm ganz oder teilweise in der Weise un ter Federbelastung steht, daß er ganz oder teilweise ausweichen kann, wenn beispielsweise das Tier dagegenstößt. Bei dieser Ausführungsform wird dies dadurch erreicht, daß der weitere Abschnitt des Roboterarmes 6 relativ zu dem ersten Armabschnitt gegen die Kraft einer Überlastfeder 29 um einen Stift 30 schwenkbar angeordnet ist. In unbelastetem Zustand wird der weitere Abschnitt des Roboterarmes 6 an den ersten Abschnitt 28 des Roboterarmes 6 unter Zwischenlage eines Gummipuffers 31 herangezogen (siehe 3).
Der weitere Abschnitt des Roboterarmes 6 umfaßt einen zweiten Abschnitt 32, einen dritten Abschnitt 33 und einen vierten Abschnitt 34. Der dritte Abschnitt 33 des Roboterarmes 6 ist mit dem zweiten Abschnitt 32 um einen Schwenkstift 35 schwenkbar verbunden. Die Schwenkbewegung um den Schwenkstift 35 erfolgt mittels eines Zylinders 36, der an seinem einen Ende mit dem zweiten Abschnitt 32 des Roboterarmes 6 und an seinem anderen Ende mit einem an dem dritten Abschnitt 33 des Roboterarmes 6 angeordneten Träger 37 verbunden ist. Wie in 2 gezeigt, kann der Roboterarm mittels des Zylinders 26 unter das sich im Melkstand aufhaltende Tier bewegt werden, wobei sich der Schwenkstift 35 etwa in einer zentralen Position unterhalb des Tieres befindet, d. h. zwischen den Vorder- und Hinterbeinen des Tieres. Danach kann durch Betätigen des Zylinders 36 der dritte Abschnitt 33 des Roboterarmes in einem gewünschten Winkel um den Schwenkstift 35 geschwenkt werden.
Der vierte Abschnitt 34 des Roboterarmes 6 (also sein Ende) ist relativ zu dem dritten Abschnitt 33 axial verschiebbar, wie durch die Pfeile 38 dargestellt ist. Dabei ist der Träger 37 in einer an der Seite des vier ten Abschnittes 34 des Roboterarmes 6 vorgesehenen schlitzförmigen Ausnehmung verschiebbar.
In eingezogener Stellung befindet sich der dritte Abschnitt 33 des Roboterarmes 6 teilweise innerhalb des Endes 34 des Roboterarmes 6. Das Ende 34 des Roboterarmes 6 ist relativ zu dem dritten Abschnitt 33 verschiebbar und mit Schienen 39 versehen. Zwischen den gegeneinander verschiebbaren Abschnitten 33 und 34 ist ein Zylinder 40 angeordnet, der an seinem einen Ende über einen Träger 41 mit dem dritten Abschnitt 33 des Roboterarmes 6 und an seinem anderen Ende über einen Träger 42 mit dem Ende 34 des Roboterarmes verbunden ist.
Das Ende 34 des Roboterarmes 6 ist unterhalb des Tieres sowohl mittels des Zylinders 40 als auch des Zylinders 18 in Längsrichtung verstellbar. Die Verwendung des Zylinders 40 wäre in diesem Zusammenhang zwar ausreichend, doch kann durch den zusätzlichen Einsatz des Zylinders 18 der Hub des ersten Zylinders beträchtlich verringert werden, was im Hinblick auf den begrenzten Raum unterhalb des Tieres höchst vorteilhaft ist.
Das Ende 34 des Roboterarmes 6 ist mit einem Gleitstück 43 versehen, das mittels Schienen 44 an dem Ende 34 des Roboterarmes in Längsrichtung verschiebbar ist. An dem Ende 34 des Roboterarmes 6 sind Zitzenbecher 45, 46, 47 und 48 angeordnet, wobei die Zitzenbecher 45 und 46, da sich der Roboterarm 6 dem Tiereuter von der Vorderseite her nähert, zum Anschluß an die hinteren Zitzen des Tieres und die Zitzenbecher 47 und 48 für die vorderen Zitzen bestimmt sind. Die. Zitzenbecher 45 bis 48 sind derart angeordnet, daß sich das Gleitstück 43 minde stens zwischen den Zitzenbechern 47 und 48 bewegen kann. Das Gleitstück 43 kann sich mittels eines Zylinders 49 hin- und herbewegen, der an seinem einen Ende mit dem Gleitstück 43 und an seinem anderen Ende mit dem Ende 34 des Roboterarmes 6 verbunden ist. An dem Gleitstück sind von links nach rechts in 4 angeordnet: eine Kupplung 50, welche Anschlüsse für die Zitzenbecher bildet, eine Sensorvorrichtung 51, eine Schwenkvorrichtung 52 und ein Schrittmotor 53, wobei die letzten beiden Vorrichtungen zusammen die Schwenkeinrichtung der Sensorvorrichtung 51 bilden. In der in 7 gezeigten Ausführungsform ist diese Schwenkeinrichtung durch einen reversierbar gesteuerten Schrittmotor gebildet. Die Sensorvorrichtung 51 ist an dem Gleitstück 43 mittels Stützplatten 54 und 55 befestigt (siehe 5). Die Schwenkvorrichtungen 52, 53 sind an der Stützplatte 55 angeordnet. Außerdem ist das Gleitstück 43 unterhalb der Stützplatte 55 mit der für die Sensorvorrichtung 51 erforderlichen Sensorelektronik 56 versehen.
Die Sensorvorrichtung 51 ist derart angeordnet, daß sie um einen Winkel schwenkbar ist, der einen Sektor begrenzt, welcher symmetrisch zur Längsachse des Endteiles 34 des Roboterarmes liegt, wobei der Schwenkwinkel bei dieser Ausführungsform etwa 120° beträgt. Die Sensorvorrichtung 51 wird durch die Schwenkvorrichtung 52, 53 in etwa 0,5 Sekunden um das Maß des Schwenkwinkels hin und zurück bewegt. Der Schrittmotor 53 treibt die Schwenkvorrichtung 52 an, die mittels eines Riemens 57 die Schwenkbewegung der Sensorvorrichtung 51 bewirkt. Unterhalb des Gleitstückes 43 ist außerdem ein Zylinder 58 angeordnet, mittels dessen über eine Schwenkvorrichtung 59 die Kupplung 50 um einen Schwenk winkel hin und zurück bewegt werden kann, der ebenfalls einen symmetrisch zur Längsachse des Roboterarm-Endes 34 liegenden Sektor definiert, welcher bei dieser Ausführungsform etwa 90° beträgt. Nachdem das Roboterarm-Ende 34 in etwa unter dem Tiereuter positioniert worden ist, kann die Sensorvorrichtung 51 die Lage der vorderen Zitzen ermitteln, wenn das Gleitstück 43 in eine erste Position eingestellt worden ist; in dieser Position des Gleitstücks 43 kann dann auch die Kupplung 50 während des Anschlußverfahrens die Zitzenbecher 47 und 48 ergreifen, um sie an die vorderen Zitzen anzuschließen. Wird danach das Gleitstück 43 nach vorn bewegt, so gelangt es in eine zweite Position, in der mittels der Sensorvorrichtung 51 die Lage der hinteren Zitzen ermittelt werden kann, und in der die Kupplung 50 anschließend die Zitzenbecher 45 und 46 ergreifen kann, um sie an die hinteren Zitzen anzuschließen. Dieser Vorgang ist in den 3 bis 5 gezeigt. Sowohl in der ersten (vorderen) als auch in der zweiten (hinteren) Position des Gleitstückes 43 kann die Kupplung 50 jeweils nur ein einzelnes Zitzenbecherpaar 47, 48 bzw. 45, 46 ergreifen. In beiden Positionen können der Zylinder 58 und die Schwenkvorrichtung 59 die Kupplung zuerst in eine Position einstellen, in der sie beispielsweise die jeweiligen Zitzenbecher 45 und 47 ergreifen kann, und danach in eine Position, in der sie die jeweiligen Zitzenbecher 46 und 48 ergreifen kann. Die Sensorvorrichtung 51 ist ständig in Betrieb, um die Zitzenpositionen innerhalb des Schwenkwinkels abzutasten, auch während der anschließenden Aufwärtsbewegung der Zitzenbecher 45 bis 48.
6 zeigt die Sensorvorrichtung 51 in größerem Maßstab; sie hat ein Gehäuse 60, das durch eine zylinder förmige Hülse gebildet und nahe seinem oberen Ende mit einem laserdurchlässigen Fenster 61 versehen ist. Hinter dem Fenster 61 ist ein durch einen Laser gebildetes Sendeelement 62 angeordnet, das von der Sensorelektronik 56 gesteuert wird. Die Verwendung eines Lasers für die Sensorvorrichtung 51 bietet den Vorteil, daß dadurch ein viel schmalerer Abtaststrahl und eine wesentlich größere Datenmenge erzielt werden können. Das Sendeelement 62 kann daher ständig einen schmalen Abtaststrahl aussenden, um die Lage einer Zitze 63 zu ermitteln. Diese Zitze 63 zerstreut und/oder reflektiert die von dem Sendeelement 62 ausgesandte Strahlung. Über das Fenster 61 kehrt ein Teil der Strahlung in das Gehäuse 60 zurück und wird von einem durch einen flachen Spiegel gebildeten und hinter dem Fenster 61 angeordneten Reflektorelement 64 über eine im Gehäuse 60 angeordnete Sammellinse 65 nach unten zu einem einen Diodendetektor enthaltenden Empfangselement 66 umgelenkt. Die Stelle in dem Empfangsteil 66, an der der auftreffende Strahl in stärkerem oder schwächerem Maße fokussiert wird, ist signifikant für die Entfernung zwischen Sensorvorrichtung und Zitze. Das vom Empfangselement 66 an die Sensorelektronik 56 gegebene Signal gibt Aufschluß über diese Fokussierstelle. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der vom Sendeelement 62 ausgesandte Strahl im wesentlichen horizontal gerichtet, und der Spiegel ist in einem Winkel von etwa 45° angeordnet. Die Winkelposition der Zitze 63 relativ zu dem Roboterarm-Ende 34 kann weiterhin anhand der Zeitintervalle bestimmt werden, in denen während der Schwenkbewegung der Sensorvorrichtung 51 Reflexionen von der Zitze 63 empfangen werden. Von der (im folgenden noch näher zu beschreibenden) Steuereinrichtung werden aufgrund der festgestellten Lage einer Zitze 63 in bezug auf das Ro boterarm-Ende 34 Signale erzeugt, um das Roboterarm-Ende 34 in solch eine Position einzustellen, daß ein betreffender Zitzenbecher durch eine Aufwärtsbewegung an die Zitze 63 angeschlossen werden kann.
Sobald das Roboterarm-Ende 34 die gewünschte Position erreicht hat, kann ein betreffender Zitzenbecher angeschlossen werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform sitzen die Zitzenbecher 45 bis 48 in kegelförmigen Aufnahmeöffnungen 67 am Roboterarm-Ende 34. Die Zitzenbecher 45 bis 48 werden in ihrer Position von flexiblen Verbindungselementen 68 gehalten, die an (nicht gezeigte) Zylinder im vierten Abschnitt 34 des Roboterarmes 6 angeschlossen sind. Die Zitzenbecher 45 bis 48 können dadurch frei nach oben bewegt und von den Zylindern wieder nach unten in ihre Positionen in den kegelförmigen Aufnahmeöffnungen 67 gezogen werden, wenn der Milchfluß versiegt. Die Aufwärtsbewegung der einzelnen Zitzenbecher erfolgt durch die Kupplung 50, die mit einem Elektromagneten 69 versehen ist, der nach seiner Erregung den Zitzenbecher ergreifen kann, auf den der Elektromagnet 69 in diesem Moment gerichtet ist. Durch Schwenken der Kupplung 50 und durch einen Positionswechsel des Gleitstückes 43 kann der Elektromagnet 69 auf die anderen Zitzenbecher gerichtet werden, die dann nach Erregen des Elektromagneten 69 ergriffen werden. Die Kupplung 50 weist eine vertikale innere Hülse 70 auf, die in aufrecht stehender Position mit dem Gleitstück starr verbunden ist; diese innere Hülse 70 kann durch eine Schwenkvorrichtung 59 um einen Winkel geschwenkt werden, der bei dieser Ausführungsform 90° beträgt. Die innere Hülse 70 ist von einer äußeren Hülse 71 umgeben, die nur nach oben und unten bewegbar ist. Der Elektromagnet 69 ist an dieser äuße ren Hülse 71 starr befestigt. Die äußere Hülse 71 ist mit einem Kolben 72 starr verbunden, der sich durch die Kupplung 50 hindurch erstreckt. In dem Raum unter dem Kolben 72 kann über eine Druckluft-Versorgungsleitung 73 Druckluft eingespeist werden, wodurch die äußere Hülse 71, der an ihr befestigte Elektromagnet 69 und der von diesem ergriffene Zitzenbecher nach oben bewegt werden. Der von der Druckluft ausgeübte Druck ist derart, daß die Aufwärtsbewegung des Zitzenbechers beendet wird, sobald der Zitzenbecher das Kuheuter berührt und dadurch ein gewisser Gegendruck ausgeübt wird. Wenn ein Zitzenbecher an die betreffende Zitze 63 angeschlossen worden ist, wird der Elektromagnet 69 aberregt und der Zitzenbecher folglich von diesem nicht länger festgehalten. Anschließend kann über die Druckluft-Versorgungsleitung 74 Druckluft in den Raum über dem Kolben 72 geleitet werden, worauf sich die äußere Hülse 71 mit dem an ihr befestigten Elektromagneten 69 nach unten bewegt; dabei muß der Druck in der Versorgungsleitung 73 natürlich geringer sein als der in der Versorgungsleitung 74.
7 zeigt eine zweite Vorrichtung eines Lasers mit der zugehörigen Sensorelektronik 56. In diesem Fall sind sowohl der Laser 62 als auch der Diodendetektor 66 mit zugehöriger Elektronik im unteren Teil des Gehäuses 60 angeordnet. Die Schwenkeinrichtung zum Schwenken der Sensorvorrichtung 51 ist hier von einem reversierbar gesteuerten Schrittmotor 75 gebildet. Die Sensorelektronik 56 ist dabei von einem Mikroprozessor 76, einem Analog-Digital-Konverter 77 und einem Steuerschaltkreis 78 gebildet. Der Laser 62 wird von dem Mikroprozessor 76 aktiviert. Wenn sich der Laser während seiner Schwenkbewegung über ein Objekt wie z. B. der Zitze ei nes Tiereuters bewegt, liefert die Diode 66 ein Signal, das von drei Parametern bestimmt wird: dem Abstand d zwischen der Sensorvorrichtung 51 und dem Objekt sowie den Winkeln α₁ und α₂, die den Anfangs- bzw. den Endwinkel des das Objekt abtastenden Laserstrahles bezeichnen; diese Parameter sind in 8 gezeigt. Der Abstand d definiert die Fokussierstelle des reflektierten/zerstreuten Laserstrahles auf dem Diodendetektor, und die Stelle auf dem Diodendetektor bestimmt die Amplitude des von diesem ausgesandten Signals (7). Die Winkel α₁ und α₂ werden von der Position bestimmt, die die Sensorvorrichtung 51 zu dem Zeitpunkt einnimmt, zu dem der Laserstrahl während seiner Schwenkbewegung den "Anfang" und das "Ende" des Objekts festlegt; da eine Schwenkbewegung und damit der Beginn einer darauffolgenden Schwenkbewegung jedesmal durch ein Signal ES (Abtastung Ende) mitgeteilt wird, können die Winkel α₁ und α₂ dadurch bestimmt werden, daß jedesmal der Zähler ausgewertet wird, in welchem die Anzahl der Schritte gezählt wird, die vom Schrittmotor 75 bis zum Erscheinen der Flanken des Signals vom Diodendetektor ausgeführt werden. Die Größe von d, α₁ und α₂ wird in dem Mikroprozessor 76 erfaßt; zu diesem Zweck wird das Signal von dem Diodendetektor 66 über den Analog-Digital-Konverter 77 dem Mikroprozessor 76 zugeführt, mittels dessen die Abtastfrequenz des Analog-Digital-Konverters 77 festgelegt wird. Zusätzlich sendet der Diodendetektor 66 an den Mikroprozessor 76 auf direktem Wege ein Signal, das anzeigt, daß das über den Analog-Digital-Konverter 77 gesendete Signal nicht als gültig zu werten ist; dieses Signal hat eine Schwellwert-Funktion. Der Schrittmotor 75 wird von dem Mikroprozessor 76 gesteuert. Dies erfolgt mit Hilfe eines Steuerschaltkreises 78, der von dem Mikroprozessor 76 die folgenden Signale erhält: ein Ein/Aus-Signal, ein Signal zur Bestimmung der Drehrichtung des Schrittmotors 75 und eine Reihe von Impulssignalen, deren Anzahl pro Zeiteinheit die Drehzahl des Schrittmotors 75 bestimmt. Der Schrittmotor 75 enthält ein induktives Aufzeichnungselement 79 zur Festlegung einer entsprechenden Referenzposition. Passiert der Schrittmotor 75 diese Referenzposition, gibt das induktive Aufzeichnungselement 79 ein Signal an den Mikroprozessor 76; dieses Signal ist wichtig für die Bestimmung des richtigen Zeitpunktes, zu dem die verschiedenen Signale dem Steuerschaltkreis 78 zugeführt werden.
Der Mikroprozessor 76 wird durch einen zweiten Mikroprozessor 80 aktiviert (siehe 9); diesem zweiten Mikroprozessor 80 werden ständig auf Unterbrecherbasis die Werte d, α₁ und α₂ sowie das Signal ES zugeführt. Jedesmal wenn die Daten d, α₁ und α₂ sowie ES dem zweiten Mikroprozessor 80 auf Unterbrecherbasis zugeführt werden, sorgt dieser dafür, daß die Position des Zylinders bestimmt wird. Der zweite Mikroprozessor 80 führt den "Suchvorgang" zur groben Bestimmung der Lage der Zitzen des Tiereuters relativ zu einer Referenzposition durch, den "Verfolgungsvorgang" zur exakten Bestimmung der Lage der Zitzen des Tiereuters relativ zu einer Referenzposition, die vom Roboterarm-Ende ausgeführte Steuerbewegung in diese exakt bestimmte Position und das Anschließen der Zitzenbecher. "Grob bestimmt" bedeutet nicht, daß eine Messung ungenau ist, sondern daß die Messung einen augenblicklichen Wert erfaßt, da sich die Zitze ständig bewegt.
Beim Ermitteln der Lage der Zitzen des Tiereuters ist die Position der Zylinder 18, 22, 36 und 40 von Bedeu tung. Jeder dieser Zylinder ist in an sich bekannter Weise mit einer Steuerelektronik 81 versehen. Die Zylinder 18 und 22 dienen zum groben Einstellen des Endteiles 34 des Roboterarmes 6 in der Mitte unterhalb des Tieres. Die Einstellung in der Längsrichtung wird mittels des Zylinders 18 grob bestimmt, während die Höheneinstellung mittels des Zylinders 22 grob bestimmt wird. Der Zylinder 22 wird auch für eine von der Sensorvorrichtung 51 durchgeführte Suchbewegung verwendet. Die Zylinder 36 und 40 werden für die exakte Bestimmung und Verfolgung eingesetzt. Die aktuelle Position der Zylinder 18, 22, 36 und 40 kann zu jedem von dem Mikroprozessor 80 festgelegten Zeitpunkt über den Multiplexer/Analog-Digital-Konverter dem Mikroprozessor 80 mitgeteilt und in dessen Speicher aufgezeichnet werden. Umgekehrt kann zu jedem von dem Mikroprozessor 80 festgelegten Zeitpunkt die gewünschte Position der Zylinder 36 und 40 über den Konverter/Multiplexer 83 diesen Zylindern 36 und 40 mitgeteilt werden. Bezüglich der Zylinder 18 und 22 reicht es aus, der betreffenden Steuerelektronik 81 lediglich zwei Signale des Mikroprozessors 80 zuzuführen; mittels dieser Signale kann angezeigt werden, ob die Zylinder 18 und/oder 22 aktiviert oder abgeschaltet werden und in welche Richtung sie das Endteil 34 des Roboterarmes 6 lenken sollen. Neben der groben Einstellung des Endteiles 34 des Roboterarmes 6 wird der Zylinder 22 auch zum Bewegen in vertikaler Richtung des Lasers und damit des Endteiles 34 des Roboterarmes 6 während des nachstehend beschriebenen "Suchvorganges" verwendet. Obwohl dies hier nicht von Bedeutung ist, sei erwähnt, daß auch die weiteren Arbeitsvorrichtungen von dem Mikroprozessor 80 gesteuert werden. Die Zylinder 18, 20, 22, 26, 36, 40, 49 und 58 werden pneumatisch betrieben. Werden hydraulisch oder elektromagnetisch betriebene Zylinder verwendet, ist es sehr empfehlenswert, einen zusätzlichen Überlastungsschutz gegen Stöße des Tieres vorzusehen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die für die Ermittlung der Lage der Zitzen maßgeblichen Zylinder 18 und 22 elektromagnetisch betreibbar, während die Zylinder 36 und 40 pneumatisch betrieben werden, wobei die Steuerelektronik 81 derart ausgeführt ist, daß diese Zylinder sehr schnell eine bestimmte, vom Mikroprozessor festgelegte Position erreichen können. Servopneumatische Positionierelemente, die durch einen pneumatischen Zylinder mit zugehöriger Steuerelektronik gebildet sind, sind an sich bekannt; bei dieser Vorrichtung jedoch ermöglichen sie in Kombination mit einem Laser in der Sensorvorrichtung einen äußerst schnellen und effizienten Anschluß der Zitzenbecher an die Zitzen.
Der im Mikroprozessor 80 gespeicherte "Suchvorgang" wird anhand des Flußdiagramms in 9 erläutert, während der "Verfolgungsvorgang" anhand des Flußdiagramms in 10 beschrieben wird.
Wenn das Tier den Melkstand betritt, wird es mittels einer herkömmlichen Tiererkennungs-Datenquelle identifiziert. Die Tiererkennung ist für die vorliegende Erfindung insofern von Bedeutung, als damit für jedes Tier die Lage der Zitzen des Tiereuters relativ zu einem Bezugspunkt an dem Tier bekannt ist, wobei weiterhin diese Lage in der Tiererkennungs-Datenquelle bei Bedarf auf der Basis des wiederkehrenden "Such- und Verfolgungsvorganges" korrigiert werden kann. Bei dem im folgenden beschriebenen Suchvorgang ist es wichtig, daß die Lage der Zitzen relativ zu einer Referenzposition erfaßt wird, hier einer von der Sensorvorrichtung 4 bestimmten Stelle in der Mitte an der Rückseite des Tieres. Zunächst wird das Ende des Roboterarmes in eine solche Ausgangsposition gebracht, daß der Laser, d. h. die Stelle in der Gehäuseöffnung, an der der Laser angeordnet ist, und von der die horizontale Laserabtastbewegung ausgeht, mit vorgegebenem, geringem Abstand unterhalb und in der Mitte vor den vorderen Zitzen angeordnet ist, beispielsweise 50 mm unterhalb und 120 mm mittig vor den vorderen Zitzen. Die dann von den Zylindern eingenommene Position wird erfaßt und der Laser gestartet. Sodann wird der Zylinder 22 aktiviert, worauf sich das Roboterarm-Ende mit dem Laser nach oben bewegt und der Laser gleichzeitig seine Abtastbewegung durchführt, die jeweils beispielsweise 0,25 Sekunden dauert. Während dieser Aufwärtsbewegung werden ständig die Werte d, α₁ und α₂ für die beiden vorderen Zitzen sowie die zugehörige Position des Zylinders 22 aufgezeichnet. Anhand der Werte d, α₁ und α₂ wird die Position der abgetasteten Objekte, die noch nicht als Zitzen erkannt worden sind, relativ zu der des Lasers berechnet. Aus der Position der Zylinder wird die Position des Lasers relativ zu der Referenzposition berechnet. Auf der Basis der Ergebnisse der beiden letzten Berechnungen wird die Position der abgetasteten Objekte relativ zu der Referenzposition berechnet. Anschließend wird diese letzte Position mit den Daten über diese Position verglichen, die von der Tiererkennungs-Datenquelle stammen. Wird innerhalb bestimmter Grenzwerte eine Übereinstimmung festgestellt, so werden die abgetasteten Objekte als vordere Zitzen des Tieres identifiziert; diese Position der vorderen Zitzen wird aufgezeichnet, und die Aufwärtsbewegung des Zylinders 22 wird beendet. Daraufhin wird der Laser in die Ausgangsposition unterhalb und in der Mitte vor den hinteren Zitzen gebracht und das oben beschriebene Verfahren wiederholt, wonach auch die Position der hinteren Zitzen aufgezeichnet wird. Damit ist der "Suchvorgang" abgeschlossen. Wird während des Suchvorganges keine Übereinstimmung innerhalb gewisser Grenzwerte zwischen der errechneten Position der abgetasteten Objekte und den zugehörigen Daten von der Tiererkennungs-Datenquelle festgestellt, so wird der Suchvorgang fortgesetzt. Der Laser wird dann weiter nach oben bewegt und kehrt, nachdem er seine höchste Position von beispielsweise 100 mm über seiner Ausgangsposition erreicht hat, in diese Ausgangsposition zurück, um eine weitere Suchbewegung in vertikaler Richtung durchzuführen. Wurden nach einer Anzahl von Suchbewegungen immer noch keine Zitzen identifiziert, so wird ein Alarm ausgelöst.
An den Suchvorgang schließt sich der Verfolgungsvorgang an, bei dem die Zitzen einzeln verfolgt werden, um einen Zitzenbecher an sie anschließen zu können. Bei diesem Verfolgungsvorgang sind die Zitzen numeriert, so daß eine festgelegte Reihenfolge eingehalten werden kann. Zuerst wird eine der hinteren Zitzen verfolgt; der Laser befindet sich hierfür bereits in der richtigen Ausgangsposition, d. h. der Position, in der der Zylinder 22 während der Suche nach den hinteren Zitzen angehalten hat. Auch dabei wird der Datenfluß vom Laser, d. h. die Werte d, α₁ und α₂ sowie die Position des betreffenden Zylinders ständig aufgezeichnet. Anhand der Werte d, α₁ und α₂ wird ständig die Lage der Zitze relativ zu dem Laser und daraus die Differenz zwischen der Lage der Zitze relativ zu dem Laser und der Position des betreffenden Zitzenbechers relativ zu dem Laser berechnet; bei der vorliegenden Ausführungsform werden diese Differenzen Δr, Δφ in Polarkoordina ten dargestellt. Sind diese Differenzen zu groß, d. h. befindet sich der Zitzenbecher nicht ganz unter der betreffenden Zitze, so werden die Ergebnisse der letzten Messung mit der auf der Basis der vorhergehenden Messung korrigierten Zitzenlage verglichen; in der vorliegenden Ausführungsform ist der Betrag dieser Differenzen in kartesischen Koordinaten dargestellt. Wenn die Differenzen Δx, Δy einen bestimmten Wert von beispielsweise 35 mm unterschreiten, sind die Zylinder zu aktivieren, und der betreffende Zitzenbecher, also das Ende des Roboterarmes, ist in die zuletzt ermittelte Zitzenlage zu bringen. Dieses Verfahren wird wiederholt, bis die Differenz zwischen der Lage der Zitze relativ zu dem Laser und der Position des Zitzenbechers relativ zu dem Laser genügend gering ist, so daß sich der Zitzenbecher fast genau unter der betreffenden Zitze befindet. Der Zitzenbecher wird dann nach oben bewegt und angeschlossen, wobei mittels eines Vakuums unter der Zitze geprüft wird, ob der Zitzenbecher richtig angeschlossen ist. Während dieser Aufwärtsbewegung des Zitzenbechers wird der Verfolgungsvorgang fortgesetzt, so daß der Zitzenbecher selbst dann noch gesteuert werden kann. Ein Vakuum kann auch entstehen, wenn der Zitzenbecher nicht richtig angeschlossen ist, insbesondere wenn die Zitze abgeknickt ist und der Zitzenbecher dagegengedrückt wird. Aus diesem Grunde kann die Überprüfung hinsichtlich des richtigen Anschlusses des Zitzenbechers mittels einer Temperaturmessung erfolgen, da innerhalb des Milchflusses eine höhere Temperatur gemessen wird als außerhalb.
Aus der schließlich aufgezeichneten Position des Zitzenbechers zum Zeitpunkt des Anschlusses und der gegenseitigen Lage der Zitzen, die sich aus der Ermittlung der Zitzenlage während des Suchvorganges ergibt, kann eine korrigierte Ausgangsposition des Lasers zum verfolgen der zweiten hinteren Zitze erzielt werden. Nachdem der Laser in diese korrigierte Ausgangsposition gebracht worden ist, wird der zuvor beschriebene Verfolgungsvorgang wiederholt, und der zweite Zitzenbecher kann angeschlossen werden. In gleicher Weise werden der dritte und der vierte Zitzenbecher angeschlossen, wonach der Verfolgungsvorgang beendet wird. Wird während des Verfolgungsvorganges festgestellt, daß die Differenzen Δx, Δy zu groß sind, d. h. in der vorliegenden Ausführungsform mehr als 35 mm betragen, so werden die betreffenden Zylinder nicht aktiviert, die Steuerung der Zitzenbecher findet nicht statt, und der Verfolgungsvorgang wird wiederholt. Wenn nach mehrmaliger Wiederholung die Differenzen Δx, Δy immer noch zu groß sind, wird zum Suchvorgang zurückgekehrt, d. h. zu dem Punkt, an dem die Suche nach den vorderen oder den hinteren Zitzen aufgenommen wurde.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform. Es wird darauf verwiesen, daß alternativ zwei durch Laser gebildete Sendeelemente anstelle des einen Sendeelementes verwendet werden können.

Claims

Vorrichtung zum automatischen Melken eines Tieres, wie z. B. einer Kuh, wobei die Vorrichtung einen Melkstand und einen Melkroboter mit einem Roboterarm (6) enthält, der sich in einer im wesentlichen horizontalen Ebene erstreckt und einen Roboterarm-Endabschnitt (34) umfaßt, der Zitzenbecher (45 bis 48) und eine Kupplung (50) zum Anbringen jedes Zitzenbechers an eine entsprechende Zitze (63) des Tiereuters trägt, wobei ferner eine Sensorvorrichtung (51) vorhanden ist, mit deren Hilfe die Position der Zitzen (63) ermittelt werden kann, sowie eine Steuerung (36, 40), um auf der Basis der von der Sensorvorrichtung (51) ermittelten Zitzenposition den die Zitzenbecher (45 bis 48) tragenden Roboterarm-Endabschnitt (34) in eine solche Position unter dem Euter des Tieres zu befördern, daß ein Zitzenbecher (45 bis 48) an die jeweilige Zitze (63) angeschlossen werden kann, wobei die Vorrichtung ferner mit einer Temperaturmeßvorrichtung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (36, 40) mit servopneumatischen Positionierelementen versehen ist, die durch einen pneumatischen Zylinder mit zugehöriger Steuerelektronik gebildet sind, wobei der Roboterarm (6) nach oben und unten bewegbar ist, wobei der Roboterarm-Endabschnitt (34) derart angebracht ist, daß er ausweichen kann, wenn z. B. ein Tier dagegenstößt, und wobei die Temperaturmeßvorrichtung in der Weise angeordnet ist, daß die Temperatur im Milchstrom gemessen wird und daß, nachdem ein Zitzenbecher (45 bis 48) zu einer Zitze (63) des Tiereuters befördert und im Innen raum des Zitzenbechers ein Vakuum erzeugt worden ist, mittels der Temperaturmeßvorrichtung ein Signal erzeugt wird, das den Zustand des "Scheinmelkens" anzeigt, d. h. daß während des automatischen Anschließens eines Zitzenbechers (45 bis 48) an die Zitze (63) die Zitze (63) geknickt und der Zitzenbecher (48 bis 48) dagegengedrückt wird, sowie dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorvorrichtung (51) mit einem Lasersensor versehen ist.