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Die vorliegende Erfindung betrifft Weiterbildungen an Sensoren, die es
ermöglichen, die Position der Zitze eines Euters eines Säugetiers,
insbesondere einer Kuh, zu bestimmen, um die Anbringung eines Teil einer
automatischen Melkanlage bildenden Zitzenbechers an dieser Zitze zu
ermöglichen.
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Es sind bereits zahlreiche automatische (d.h. ohne menschliches Eingreifen
arbeitende) Melkanlagen dieser Art bekannt, aber aufgrund
unvollkommener Anbringung der Zitzenbecher an den Zitzen des Euters der Tiere
funktioniert keine richtig. Die Erfolgsquote liegt derzeit nicht über 85 % und
75 %, je nachdem ob die Kühe vorher ausgesondert werden oder nicht,
wohingegen es wünschenswert wäre, eine Erfolgsquote von wenigstens 98 %
bei einer ausgesonderten Herde zu erreichen, damit diese Anlagen sich in
der gängigen Praxis als interessant erweisen.
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Die Hauptschwierigkeit, die dem Erreichen der gewünschten Erfolgsquote
entgegensteht, ist auf den Mangel an Präzision beim Erfassen der genauen
Position jeder Zitze zurückzuführen: diese Erfassung bedingt die
erfolgreiche Anbringung des Zitzenbechers, der am äußeren Ende eines
beweglichen Arms getragen wird, der an die über die Lokalisierung der Zitze
erfaßten Informationen gebunden ist.
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Diese Lokalisierung findet in zwei Schritten statt, nämlich zunächst in einer
Ausgangslokalisierung, die in Echtzeit die Position einer der Zitzen, die als
Bezugszitze verwendet wird, mit einer Genauigkeit von 5 bis 10 mm
angeben muß, wobei die ungefahre Position der andere Zitzen (drei im Falle
einer Kuh) anschließend von der Lokalisierung der Bezugszitze abgeleitet
wird (zum Beispiel mittels Kartographie); weiterhin in einer
anschließenden Feinlokalisierung, die von einem zweiten Erfassungssystem
sichergestellt wird, welches sequentiell ebenfalls in Echtzeit die Position jeder der
Zitzen mit einer Genauigkeit von weniger als 5 mm angibt.
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Es sind bereits mehrere Ausfürungsformen eines Sensors zur
Feinlokalisierung einer Zitze bekannt.
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In einer bekannten Ausführungsform ist der Sensor fest mit dem
Zitzenbecher verbunden, wobei jeder Becher mit einem eigenen, ihn umgebenden
Sensor versehen ist. Diese Anordnung führt zu Bechern mit zu großem
Durchmesser und es ist nicht möglich, sie an zu eng beieinanderliegenden
Zitzen anzubringen; bei einer Verkleinerung ihrer Größe besteht jedoch die
Gefahr, daß ein Folgen bei den Bewegungen des Tieres verhindert wird.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist ein klammerförmiger, optischer
Sensor fest mit dem mechanischen Arm verbunden, der die Becher
sequentiell anbringt, mit dem Nachteil, daß der Sensor den Arm bei jeder
Rückwärtsbewegung zu einem Lager zur Aufnahme eines weiteren Bechers
begleitet.
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Bei einer weiteren bekannten Ausführungsform ist der Sensor in Form
einer optischen Klammer ausgebildet, die auf einem speziellen Arm gelagert
ist, der nach Anbringen jedes Bechers in Ruhelage kommt.
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Über die genannten, jeweils individuellen Nachteile hinaus weisen alle
diese Sensoren weiterhin den gemeinsamen Nachteil auf, daß sie in dem von
ihnen erfaßten Raum nur eine flächige Lokalisierung (Lokalisierung in der
X-Y-Ebene) erlauben. Eine solche Erfassung stellt sich erfingsgemäß in
bestimmten praktischen Fällen fur das Erzielen einer korrekten Anbringung
des Zitzenbechers an der Zitze als sehr ungenügend heraus, sobald der
Becher zur Aufnahme der Zitze etwa senkrecht zu dem von dem Sensor
erfaßten X-Y-Bereich verlagert wird, wobei seine Achse etwa senkrecht zu
diesem Bereich verläuft. Insbesondere wenn die Zitze gegenüber dem von
dem Sensor erfaßten X-Y-Bereich geneigt ist, kann der Becher die Zitze
nicht korrekt aufhehmen, sogar die Öffnung des Bechers kann gegenüber
dem Ende der Zitze und der Achse der Zitze nicht richtig ausgerichtet sein
und die Zitze kann an der Öffnung des Bechers abgeknickt sein; zum
mindesten läuft der Melkvorgang nicht sachgemäß ab und manchmal läuft das
Tier Gefahr, verletzt zu werden.
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Im übrigen ist gemäß der EP-0 213 660 eine Anordnung eines Sensors zum
Erfassen der Position einer Zitze bekannt, der sich kreuzende optische
Strahlenbündel verwendet und eine ringförmige, geschlossene
Auflagevorrichtung umfaßt, die die Sender und Strahlungsempfänger trägt. Die
ringförmige Auflagevorrichtung besteht aus zwei Halbabschnitten, die
aneinander angelenkt sind, so daß der Ring zum Anbringen oder Entfernen seitlich
zu der Zitze geöffnet werden kann. Jedoch weist eine solche Anordnung
den Nachteil auf, daß bei geöffnetem Ring der Sensor einen hohen
Raumbedarf aufweist und bei seinem Verschieben unter dem Euter eines Tieres
die Gefahr der Behinderung durch bereits an den Zitzen befindlichen
Bechern besteht.
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Die WO-90/07 268 zeigt eine Positionssensoranordnung in üblicher,
annähernd viereckiger Form, die aus zwei aneinander angelenkten
Halbabschnitten
besteht. Dieser Sensor läßt sich also öffnen, weist jedoch
denselben Nachteil übermäßigen Raumbedarfs in geöffneter Stellung wie der
vorhergehende Sensor auf.
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Die Erfindung befaßt sich ausschließlich mit dem Sensor zur
Feinlokalisierung und zielt darauf ab, einen solchen Sensor vorzuschlagen, der die
genannten Nachteile der derzeit bekannten Sensoren aufhebt und den
verschiedenen Anforderungen gängiger Praxis besser genügt, indem sie
insbesondere einen Sensor vorschlägt, der die Lokalisierung einer Zitze im
Raum mit sehr großer Genauigkeit bestimmt, so daß der entsprechende
Zitzenbecher sehr genau bis zur Zitze geführt werden kann und vollkommen
koaxial und mit optimaler Eindringtiefe auf dieser angebracht werden kann,
sodaß die Erfolgsquote einen herausgefimdenen optimalen Wert von 98 %
erreichen kann, und der zu seiner Anbringung nur einen geringen
Raumbedarf aufweist.
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Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung einen Positionssensor für die Zitze
des Euters eines Vierfüßlers, insbesondere einer Kuh, vor mit einer
Auflagevorrichtung, die eine in sich geschlossene Form in Gestalt eines Rings
aufweist, der die Zitze umgeben soll, und mit einer Einheit von
photoelektrischen Sendern und Empfängern, die abwechselnd in vorbestimmter
Gestaltung über den gesamten Innenumfang der ringförmigen
Auflagevorrichtung angeordnet sind, sodaß der gesamte innere Raum der
Auflagevorrichtung von den Strahlenbündeln der Sender bestrichen wird, wobei der
erfindungsgemäß angeordnete Sensor dadurch gekennzeichnet ist, daß die
ringförmige Auflagevorrichtung wenigstens einen Abschnitt aufweist, der
nach außen beweglich ist, so daß er wenigstens eine das seitliche Entfernen
der um eine Zitze anliegenden Auflagevorrichtung ermöglichende Klappe
bildet.
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Aufgrund dieser Anordnung weist der erfindungsgemäße Sensor immer
denselben Raumbedarf in Querrichtung auf, ob die Klappe(n) nun geöffnet
ist (sind) oder nicht. Es ist deshalb leichter, ihn unter dem Euter eines
Tieres ohne Behinderung durch die bereits auf den Zitzen befindlichen Becher
zu verschieben. Darüber hinaus ist der Sensor nicht mit den Bechern
verbunden; er ist beweglich und am Ende eines Arms angebracht, der ihn von
einer Zitze zur nächsten bewegt. Dieser Sensor gestattet ein Folgen der
Bewegungen der Zitze in Echtzeit und das Anbringen des an der Zitze zu
befestigenden Bechers.
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In einfacher Ausgestaltung ist die Klappe nach außen verschwenkbar mit
elastischer Rückstellung in eine dem stetigen Verlauf der
Auflagevorrichtung entsprechende Schließstellung angeordnet. Natürlich ist ein System
mit gesteuerter Klappe vorstellbar, jedoch sind die Kosten hoch und es ist
eine Unterhaltung und Wartung vorzusehen.
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In der Praxis kann die Auflagevorrichtung die Form eines im wesentlichen
kreisförmigen Rings haben, die gleicltzeitig am besten fur die
durchschnittliche Morphologie einer Zitze geeignet ist und die Dekodierung der von
den photoelektrischen Empfägern erhaltenen Signale aufgrund der
Rotationssymmetrie und des annähernd gleichen Abstands aller Photorezeptoren
zum Mittelpunkt des Sensors am meisten vereinfacht. Um die
Positionierung des Sensors um die Zitze zu vereinfachen, ist es wünschenswert, daß
die Auflagevorrichtung in Gestalt eines im wesentlichen kreisförmigen
Rings einen Durchmesser aufweist, der zwischen ungefähr dem zwei- bis
vierfachen des durchschnittlichen Durchmessers einer Zitze liegt, was
darüber hinaus einen ausreichenden Ringraum bestehen läßt, damit das obere
Ende des auf der Zitze angebrachten Bechers nach innen in den Sensor
eingreifen kann.
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Aus technischen Gründen und im Hinblick auf geringe Kosten für die
Realisierung (die verwendeten Sender und Empfanger können im Handel in
Form von geradlinigen Streifen verfügbar sein) kann es noch interessanter
und weniger kostspielig sein, die Auflagevorrichtung vieleckig, insbesonde
re etwa sechs- oder achteckig, auszugestalten, um die Anbringung der
Photodioden und Phototransistoren zu vereinfachen. Diese können dann auf
rechteckigen, gedruckten Schaltungen, die an den Innenflächen der
vielekkigen Auflagevorrichtung befestigt sind, vorgesehen sein. Die
Querabmessung der Auflagevorrichtung ist in derselben Größenordnung wie diejenige
für eine kreisförmige Auflagevorrichtung.
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Vorzugsweise weist die ringförmige Auflagevorrichtung eine solche Höhe
auf, daß mehrere Einheiten von photoelektrischen Sendern und Empfängern
übereinander auf der Innenfläche der Auflagevorrichtung angeordnet sind.
Aufgrund dieser Anordnung ist es möglich, in dem von dem Sensor
erfaßten Raum (d.h. in einem Raster X-Y-Z) mit Genauigkeit die Stellung des
Endes der Zitze und auch die Stellung der Achse der Zitze gegenüber der
zur Auflagevorrichtung senkrechten Achse (Achse Z) zu bestimmen, mit
anderen Worten die Neigung der Zitze im Verhältnis zu der Achse der
Auflagevorichtung. Ausgehend von den so erhaltenen Angaben kann der
Becher dann nicht nur mit seiner Öffnung genau vor das Ende der Zitze
geführt werden, sondern gegebenenfalls auch um den entsprechenden Wert
und in die entsprechende Richtung geneigt werden, damit seine Achse mit
der Achse der Zitze zusammenfällt; danach kann der Becher koaxial mit
dem efforderlichen Abstand auf die Zitze aufgesetzt werden, ohne daß die
Gefahr einer falschen Positionierung und Verletzung des Tieres besteht.
Bei einer zum gegenwärtigen Zeitpunkt ausreichend erscheinenden
Anordnung sind die Einheiten von photoelektrischen Sendern und Empfängern in
wenigstens drei Einheiten übereinander angeordnet.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten
Zeichnungen. Es zeigt
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Fig. 1 eine sehr diagrammatische Draufsicht auf einen erfindungsgemäß
angeordneten Sensor,
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Fig. 2 eine sehr diagrammatische Schnittdarstellung des Sensors von Fig.
1 und
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Fig. 3 eine sehr diagrammatische Seitenansicht zur Veranschaulichung
der Funktionsweise des Sensors nach Fig. 1 und 2 und der
Anbringung eines Bechers.
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Unter Bezugnahine zunächst auf Fig. 1 und 2 weist der insgesamt mit dem
Bezugszeichen 1 versehene Positionssensor eine Auflagevorrichtung 2 auf,
die eine in sich geschlossene Form in Gestalt eines vorzugsweise im
wesentlichen kreisförmigen Rings hat, wie er aufgrund der durch die
Radialsymmetrie gegebenen Vorteile insbesondere im Hinblick auf die
Vereinfachung der Signalverarbeitungselektronik dargestellt ist. Die
Auflagevorrichtung 2 weist eine minimale Querabmessung beziehungsweise einen
minimalen Durchmesser auf, der mit Vorteil zwischen ungefaur dem
Zweiund Vierfachen des durchschnittlichen Durchmessers der Zitze 3 liegt (die
Zitze 3 ist in Fig. 1 und 2 schematisch mit einer Strichpunktlinie
dargestellt), um das Anbringen der Auflagevorrichtung 2 um die Zitze 3 zu
erleichtern, selbst wenn diese gegenüber der (zum Beispiel senkrechten)
Zufiklirrichtung der Auflagevorrichtung 2 geneigt ist; darüber hinaus
ermöglicht eine solche Dimensionierung später den Durchtritt des oberen Endes
des Bechers, der innerhalb der Auflagevorrichtung auf die Zitze aufgesetzt
wird, wie dies später noch erläutert wird.
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Auf der Innenfläche der Auflagevorrichtung 2 sind photoelelrrrische Sender
E und Empfänger R (die z.B. mit sichtbarem Licht oder mit
lnfrarotstrahhing arbeiten), wie etwa elektrolumineszierende Dioden (LED) für die
Sender und photorezeptorische Transistoren für die Empfänger,
angeordnet. Diese Sender und Empfänger sind über den Umfang der
Auflagevorrichtung 2 gleichmäßig in abwechselnder, vorzugsweise in
Umfangsrichtung regelmäßiger Anordnung verteilt, und zwar immer im Hinblick auf die
Vereinfachung der Decodierung der Signale. Es kann zum Beispiel - wie in
Fig. 1 dargestellt - ein Sender E mit zwei Empfängern R abwechseln, es
kann aber jede andere Anordnung eingenommen werden. Eine
einschichtige Umfangsverteilung von Sendern E und Empfängern R stellt eine Einheit
dar.
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Der Sensor 1 umfaßt mehrere Einheiten von übereinander angeordneten
Sendern und/oder Empfängern, wobei die Auflagevorrichtung 2 eine zu
diesem Zweck geeignete Höhe aufweist. Die Anzahl der übereinander
angeordneten Einheiten von Sendern und/oder Empfängern hängt gleichzeitig
von der Länge der Zitze (also von der Tierart und gegebenenfalls bei einer
bestimmten Art von der Rasse) und von der gewünschten senkrechten
Genauigkeit (Z) ab. Bei dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Beispiel hat der Sensor
1, der zur Lokalisierung der Zitze einer Kuh benutzt werden soll,
typischerweise einen Durchmesser von etwa 80 mm (bei einem typischen
durchschnittlichen Durchmesser der Zitze von etwa 25 mm) und eine Höhe
von etwa 35 mm, wobei die Anzahl der übereinander angeordneten
Einheiten von Sendern und/oder Empfängern drei beträgt.
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Neben der Wechselfolge der Sender und Empfänger kann auch die Bildung
der verschiedenen Einheiten Anlaß zu zahlreichen Varianten in der
Ausfillirung geben.
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So können alle Einheiten eine gewählte Wechselfolge von Sendern E und
Empfängern R aufweisen (die gewählte Wechselfolge kann für jede Einheit
verschieden sein); diese Einheiten können dann zueinander winkelversetzt
angeordnet werden, so daß ein Sender einer Einheit vertikal einem der
Empfänger zugeordnet ist. Bei solchen Anordnungen müssen die Sender
und Empfänger so ausgebildet sein, daß die Strahlungen im wesentlichen
eben sind, um Störungen der unmittelbar darunter und/oder darüber
befindlichen Einheiten zu verrneiden.
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Bei anderen möglichen Anordnungen weist eine einzelne Einheit (zum
Beispiel die mittlere Einheit in Fig. 2) eine gewählte Wechselfolge von
Sendem E und Empfängern R auf, während die darüber oder darunter liegen
den Einheiten ausschließlich aus Empfängern R bestehen. Die Sender
emittieren nun eine dreidimensionale, konische Strahlung, die nicht nur die
Empfänger, die einem Sender in der mit diesem gemeinsamen Einheit
gegenüberliegen, sondern auch die über oder unter ihnen befindlichen
Empfäger erregt.
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Wie dem auch sei, so wird - unter Bezugnahme auf Fig. 1 - eine von einem
Sender E&sub1; emittierte Strahlung ohne Belastung eine vorbestimmte Anzahl
(vier in Fig. 1) von etwa diametral gegenüberliegenden Empfängern R¹&sub1;,
R²&sub1;, R³&sub1; und R&sup4;&sub1; erregen. Wenn der Sensor 1 um eine Zitze 3 (nicht
zentriert dargestellt) gelegt wird, so deckt diese die gesamte oder einen Teil
der von dem Sender E&sub1; ausgesandten Strahlung ab: R¹&sub1;, R²&sub1; und R³&sub1; sind
nicht mehr erregt, während R&sup4;&sub1; immer noch die Strahlung empfängt.
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In gleicher Weise wird die von einem anderen Sender E&sub2; kommende
Strahlung von der Zitze für die zugeordneten Empfänger R¹&sub2; und R²&sub2;
verdeckt, erregt aber immer noch die zugeordneten Empfänger R³&sub2; und R&sup4;&sub2;.
Dies läßt sich für alle Sender Ei und die zugeordneten Empfänger R¹i, R²i,
R³i und R&sup4;i fortsetzen.
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Die von allen Empfängern R einer Einheit gelieferten elektrischen Signale
werden von einer nicht dargestellten elektronischen Einheit decodiert
deren Ausgestaltung üblicherweise in die Zuständigkeit des Fachmanns
gehört und die hier nicht im einzelnen aufzuführen ist - um in Gestalt von
Koordinaten X und Y die Position der Zitze 3 gegenüber der
Auflagevorrichtung 2 zu ergeben (zum Beispiel gegenüber dem Mittelpunkt der
kreisförmigen Auflagevorrichtung).
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Eine an den Empfängern aller übereinander angeordneten Einheiten
durchgeführte, analoge Decodierung (Fig. 2) gestattet es, die Zitze senkrecht zu
der Auflagevorrichtung 2 (zum Beispiel zur Mitte der Achse der
kreisförmigen
Auflagevorrichtung 2) zu lokalisieren. Auf diese Weise kannman
insbesondere das Ende 4 der Zitze lokalisieren und die Relativstellung
dieses Endes 4 und der Auflagevorrichtung 2 erkennen, wenn die
Auflagevorrichtung 2, die mittels der Einrichtungen zur Groblokalisierung unter die
Zitze geführt ist, anschließend senkrecht angehoben wird, um die Zitze wie
in Fig. 3 gezeigt zu umgeben.
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Es ist ebenfalls zu erkennen, daß nach Erfassung der Position des Endes 4
der Zitze und unter permanenter Erfassung der Position des Zitzenkörpers
während des Anhebens der Auflagevorrichtung 2 gleichermaßen die
Stellung der Mittelachse 5 der Zitze (vgl. Fig. 2) und damit ihre Neigung
(Winkel und Richtung) gegenüber der Achse 6 der Auflagevorrichtung
bestimmt wird.
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Anschließend ist es durch Kombination der Informationen über die
Lokalisierung (X, Y, Z) der Zitze 3 gegenüber der Auflagevorrichtung 2, die
Stellung des Raltearms 7 des Sensors 1, die Stellung des Haltearms 8 des
Zitzenbechers 9 und über die Stellung (Neigung) des Zitzenbechers 9 im
Verhältnis zu seinem Arm möglich, den Zitzenbecher 9 mit der
gewünschten Genauigkeit unter die Zitze 3 zu fhhren, wobei die Öffnung 10 des
Bechers 9 vor dem Ende 4 der Zitze 3 und die Achse 11 des Bechers 9 koaxial
zu der Mittelachse der Zitze liegt (wobei mit anderen Worten der Becher in
Winkel und Richtung korrekt geneigt ist, wenn die Zitze selbst geneigt ist).
Die korrekte Positionierung des Bechers wird erleichtert, wenn der
eingangs exzentrisch um die Zitze dargestellte Sensor 1 anschließend um diese
zentriert wird.
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Danach wird der Becher 9 angehoben (Pfeil 12), um die Zitze 3 zu
überdecken, und der Sensor 1 muß nun entfernt werden, um einen weiteren
Becher auf einer weiteren Zitze zu positionieren.
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Da der Sensor aufgrund der Anwesenheit des Bechers nicht mehr nach
unten entfernt werden kann, muß er in Querrichtung entfernt werden (Pfeil
13). Zu diesem Zweck ist die Auflagevorrichtung 2 in geöffneter Form mit
wenigstens einem eine Klappe bildenden, schwenkbaren Abschnitt
angeordnet; in Fig. 3 sind zwei Klappen 14 vorgesehen, die sich nach außen
(Pfeil 15) um Schwenkgelenke 16 öffnen. Eine sehr einfache und keinerlei
Wartungsaufwand erfordernde Ausfrührung besteht darin, daß die
Schwenkgelenke 16 elastisch sind, so daß die Klappen 14 automatisch in
ihre Schließstellung zurückgestellt werden. Gesteuert öffnende und
schließende Klappen sind vorstellbar, sind aber konstruktionstechnisch
aufwendiger und wartungsbedürftig.
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Unabhängig von ihrer Ausgestaltung und Funktionsweise weisen die
Klappen eine für den Durchtritt einer Zitze ausreichende, und im Verhältnis
zum Umfang des Rings relativ geringe Weite auf So weist der
erfindungsgemäß angeordnete Sensor einen im wesentlichen gleichbleibenden
Raumbedarf in Querrichtung auf, ganz gleich ob die Klappe(n) geöffnet oder
geschlossen ist (sind). Sein Verschieben unter dem Euter des Tieres wird
erleichtert, ohne daß er von den bereits auf den Zitzen angebrachten Bechern
behindert wird. Darüber hinaus ist festzuhalten, daß der Sensor nicht mehr
mit den Bechern verbunden ist; er ist bewegbar und - wie oben
angegeben - er ist am Ende eines Arms gelagert, der ihn von einer Zitze zur anderen
bewegt.
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In der Praxis kann eine vieleckige, insbesondere sechs- oder achteckige
Ausgestaltung des Rings für die laufende Herstellung vorteilhafter sein als
eine kreisförmige Form, indem sie die Montage der photoelektrischen
Sender und Empfänger leichter macht, die im Handel in Form von
geradlinigen, mehr Teile umfassenden Streifen erhältlich sind.
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Wie sich aus den vorstehenden Ausführungen ergibt, beschränkt sich die
Erfindung selbstverständlich keinesfalls auf die hier insbesondere
angegebenen Ausführungsformen und Ausgestaltungen; sie umfaßt im Gegenteil
sämtliche Varianten, die in den nachfolgenden Ansprüchen angegeben sind.