DE69824588T2

DE69824588T2 - Vorrichtung für tiere

Info

Publication number: DE69824588T2
Application number: DE69824588T
Authority: DE
Inventors: Uzi Birk
Original assignee: DeLaval Holding AB
Current assignee: DeLaval Holding AB
Priority date: 1997-07-07
Filing date: 1998-07-07
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2018-07-08
Also published as: JP2002512720A; WO1999003064A1; EP0993655B1; US6363883B1; SE9702628D0; EP0993655A1; DE69824588D1; AU8365498A; IL133403A0

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine tierbezogene Vorrichtung zum automatischen Durchführen einer tierbezogenen Handlung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Sie betrifft auch ein Verfahren zur Durchführung einer tierbezogenen Handlung mit einer derartigen tierbezogenen Vorrichtung.
Eine derartige tierbezogene Vorrichtung und ein derartiges Verfahren sind aus der EP-A-O 300 115 bekannt, bei welcher Vorrichtung eine Kamera am Boden montiert ist, während die Lichtquelle auf der Seite der Melkbox angeordnet ist, das heißt der Lichtstrahl der Lichtquelle und das Objektiv der Kamera sind mehr oder weniger senkrecht zueinander angeordnet. Diese Beleuchtung bezweckt eine vorsätzliche Erzeugung von Schatten auf den Zitzen des Euters, welche Schatten von der Kamera zum Auffinden der Zitzen beobachtet werden sollen, anstatt die Zitzen direkt zu betrachten.
Andere tierbezogene Vorrichtungen zum Auffinden der Zitzen eines zu melkenden Tieres sind aus der US-A-4 867 103 bekannt, bei der ein Lasersensor verwendet wird, und aus der EP-A-300 582, bei der ein Ultraschallsensor verwendet wird.
Aus der WO-A-9715900 ist ein Zitzenführungs- und Ortungsverfahren für eine Melkvorrichtung bekannt. Das Verfahren zum Führen eines Melkgerätträgers zu mindestens einer Zitze eines Tiers umfasst die Bewegung des Trägers zu einer festen Ausgangsposition in einer Box, ohne jeglichen Bezug zu einem Tier, und Beleuchtung eines Bereichs, in dem das Vorhandensein mindestens eines Euters erwartet wird, mit einem Lichtfächer von dem Träger aus. Bilder werden von dem Träger aus erfasst, indem der Bereich mit einer Videokamera betrachtet wird. Die erfassten Bilder werden analysiert, um mögliche Zitzenkandidaten zu identifizieren, von denen mindestens eine als Zielzitze ausgewählt wird. Die Position der Zielzitze wird festgestellt und der Träger und die getragenen Melkgerätschaften peilen die Zielzitze an.
Aufgabe der Erfindung
Keine der oben beschriebenen Techniken haben sich als fehlerfrei erwiesen. Im Gegenteil, Tiere mit beispielsweise eng angeordneten Zitzen sind für die bekannten Systeme gelegentlich schwierig zu unterscheiden, da solche Zitzen von diesen Techniken zum Auffinden der Zitzen als eine einzige Zitze betrachtet werden können.
In der WO-A-93164439 ist ein Kamerasystem vorgesehen, um Bildsignale, die ein Abbild eines Objekts darstellen, zu erzeugen. Das Kamerasystem umfasst eine Stroboskopanordnung und eine Datenprozessor gesteuerte Bewegungssteuerung zur Synchronisierung der Erfassung von Bildsignalen mit einem Lichtblitz, um dadurch in Wesentlichen Variationen des Bildsignals aufgrund von Vibrationen des Objekts oder der Kamera zu vermeiden.
Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, eine tierbezogene Vorrichtung bereit zu stellen, die die Zitzen eines Tiers hinreichender und genauer auffindet, um tierbezogene Handlungen an dem Tier durchführen zu können.
Zusammenfassung der Erfindung
Dies wird durch eine Vorrichtung der oben genannten Art erreicht, die dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Bilderfassungseinrichtung der Kameraeinrichtung einer Formerkennungseinrichtung zugeordnet ist und dass die Lichtquelle eine Blitzlichteinrichtung ist, die mindestens einen kurzen, intensiven Lichtblitz zur Beleuchtung eines Teils eines mittels der Kameraeinrichtung zu betrachtenden Tiers erzeugt.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das die folgende Reihenfolge von Schritten umfasst:

– Ausrichten der Kameraeinrichtung und der Lichtquelle auf ein Teil eines Tiers mittels des Roboterarms,
– Ansteuern der Lichtquelle derart, dass sie mindestens einen kurzen, intensiven Lichtblitz erzeugt,
– Analyse eines aufgezeichneten Bildes mittels einer Formerkennung zur Bestimmung der Position des Teils des Tiers,
– Bewegen des Roboterarms zumindest teilweise in Richtung des Teils des Tiers,
– Durchführung einer tierbezogenen Handlung, wenn das Teil des Tiers sicher identifiziert worden ist und wenn der Roboterarm nah genug an das Teil des Tiers heran bewegt worden ist, um eine Durchführung der tierbezogenen Handlung zu erlauben.

Durch die Vorrichtung und das Verfahren wird ein hoch aufgelöstes Bild mit scharten Konturen erreicht, das in höchstem Maße das Auffinden beispielsweise der Zitzen durch eine Bildanalyse und eine nachfolgende Durchführung der tierbezogenen Handlung ermöglicht.
Zweckmäßig ist die Lichtquelle an dem Roboterarm angeordnet. Hierdurch wird das Verhältnis der Richtung des Lichtstrahls und der Ausrichtung des Objektivs der Kamera auf einfache Weise konstant erhalten. Es sollte jedoch berücksichtigt werden, dass die Lichtquelle auch beispielsweise auf einem Bodenteil der tierbezogenen Vorrichtung oder an einem Pfosten angeordnet werden kann, solange die genannten Richtungen im Wesentlichen beibehalten werden.
Vorzugsweise erzeugt die Lichtquelle eine Mehrzahl von Lichtblitzen nacheinander. Insbesondere wird diese Reihenfolge wiederholt, bis der Teil des Tiers sicher identifiziert worden ist und bis der Roboterarm sich hinreichend nah an den Teil des Tiers angenähert hat, um die Durchführung der tierbezogenen Handlung zu ermöglichen. Hierdurch wird eine sequentielle Bewegung in Richtung beispielsweise einer Zitze ermöglicht, das heißt nach der Beleuchtung wird das Bild analysiert und der Roboterarm wird in Richtung der Zitze bewegt. Ein neuer Blitz beleuchtet die Zitze und nach der Bildanalyse darf sich der Roboterarm weiterbewegen etc.
Zweckmäßig weist die Lichtquelle einen Reflektor zur Erzeugung eines gerichteten Lichtstrahls auf. Hierdurch ist es möglich, nur einen gewünschten Teil des Tiers zu beleuchten. Weiterhin ist es durch die Verwendung unterschiedlicher Arten von Reflektoren möglich, den Lichtstrahl an die Brennweite des Objektivs der Kamera anzupassen.
Vorzugsweise weist die Lichtquelle eine im wesentlichen ringförmige Form zur Erzeugung eines zunächst im wesentlichen ringförmigen Lichtstrahls auf. Hierdurch ist es möglich, ein Bild eines Teils eines vorstehenden Teils, wie beispielsweise einer von unten betrachteten Zitze, zu erzeugen, das frei von Schatten ist.
Zweckmäßig wird mindestens eine Laserlinie auf das Teil des Tiers projeziert, um dieses zu beleuchten. Hierdurch ist es möglich, eine Lasererfassungstechnik zu verwenden, vor und/oder nachdem ein Blitz die Zitze beleuchtet hat. Alternativ wird ein Dauerlicht von einem Blitz gefolgt, der wiederum von Dauerlicht gefolgt wird. Dementsprechend wird eine Kombination mindestens zweier Arten von Bildanalyse verwendet, da eine Kombination von Erfassungstechniken die Genauigkeit erhöht.
Vorzugsweise ist der Bilderfassungseinrichtung eine Formerkennungseinrichtung zugeordnet. Zweckmäßig ist die Formerkennungseinrichtung dazu in der Lage, das Teil des Tiers durch Konturenanalyse zu identifizieren. Hier durch ist es möglich, beispielsweise eine Zitze zu erkennen, zu identifizieren und ihre Orientierung festzustellen.
Zweckmäßig ist mindestens ein Teil des Roboterarms dazu geeignet, einen Zitzenbecher in eine Stellung zu manipulieren, die im Wesentlichen gleich der einer geneigten Zitze ist. Hierdurch wird eine sicherere Befestigung eines Zitzenbechers erreicht.
Zusammenfassung der Zeichnung
1 zeigt eine Draufsicht einer Kuh in einem Tierraum, der mit einer tierbezogenen Vorrichtung ausgestattet ist,
2 ist eine Seitenansicht einer Kuh in dem Tierraum, der mit einer tierbezogenen Vorrichtung ausgestattet ist,
3 zeigt eine Seitenansicht einer Kuh in einem Tierraum, der mit einer tierbezogenen Vorrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels ausgestattet ist,
4a und 4b zeigen Draufsichten eines Roboterarms der tierbezogenen Vorrichtung,
5a und 5b zeigen die Befestigung eines Zitzenbechers an unterschiedlich orientierten Zitzen.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
1 zeigt schematisch eine Kuh in einem Tierraum 1, beispielsweise einer Melkbox, einer Fütterbox, einem Durchgang oder einer Tierbehandlungsbox, die an ihren Seiten von einer Begrenzungseinrichtung 2, beispielsweise einer Wand oder einem Geländer, begrenzt ist.
Eine tierbezogene Vorrichtung 3 ist in dem Tierraum 1 vorgesehen. Ein Roboterarm 4, der auf der Vorrichtung angeordnet ist, ist zur Durchführung tierbezogener Handlungen mittels einer Handhabungseinrichtung 5 mit einem festen oder bewegbaren Greifer versehen. Der Roboterarm ist weiterhin mit einer Lichtquelle 6 in Form eines Blitzlichts sowie einer Kamera (vergleiche 2, Bezugszeichen 8) versehen. Die Handhabungseinrichtung 5 in 1 hält einen Zitzenbecher 7 in ihrer Handhabungseinrichtung 5.
2 zeigt schematisch die in 1 dargestellte tierbezogene Vorrichtung, jedoch in Seitenansicht. In dieser Figur ist eine Kamera 8 dargestellt, die Zitzen im Wesentlichen aus der gleichen Richtung beobachtet, wie die Lichtquelle 6 die Zitze beleuchtet.
3 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der in 1 dargestellten Vorrichtung, mit einem Blitzlicht zur Beleuchtung der Zitze mittels eines kurzen, intensiven Lichtstrahls, und einem Laseremitter zur Beleuchtung der Zitze mittels einer oder mehrerer Laserlinien.
Wenn die Kamera 8 eine oder mehrere Zitzen betrachtet, während die Zitzen mittels einer Laserlinie beleuchtet sind, erfasst die Kamera ein Bild, das durch die von der Kamera betrachteten Linien dominiert wird, da die Auflösung der Zitzen aufgrund fehlender allgemeiner Beleuchtung schlecht ist. Die Position der Zitze oder der Zitzen wird durch eine Dreieckstechnik berechnet, die ausführlich in der WO 97/15900 beschrieben ist.
Wenn die Kamera 8 eine oder mehrere Zitzen beobachtet, während die Zitzen mittels eines Blitzes von der Lichtquelle beleuchtet werden, wird die Position der Zitzen durch eine RGB (Rot-Grün-Blau) Analyse ermittelt, wie ausführlich in der WO 97/15901 beschrieben ist. Alternativ werden sie durch eine Konturanalyse ermittelt, wobei die Kontur einer typischen Zitze in einem Speicher für eine gesamte Herde oder eine individuelle Kuh gespeichert ist und ein Vergleich mit der Kontur der betrachteten Zitze vorgenommen wird.
In 4a ist der Roboterarm 4 mit einer Handhabungseinrichtung 5 mit einem festen Greifer versehen, das heißt die Arme des Greifers sind nicht zueinander hin bewegbar. Ein Zitzenbecher, Zitzenreiniger, Zitzenbesprüher oder dergleichen wird durch Einführen der Bügel der Handhabungseinrichtung 5 in einen entsprechend geformten Teil davon ergriffen.
Die Handhabungseinrichtung ist mit einer Lichtquelle versehen, die im Wesentlichen ringförmig ausgebildet ist. Die Ringform ist unterbrochen, um ein Einführen eines Zitzenbechers oder dergleichen zwischen die Bügel der Handhabungseinrichtung zu ermöglichen.
Die Handhabungseinrichtung 5 ist weiterhin mit einer Miniaturkamera 8 oder einfach einem Faseroptik-Objektiv verbunden, das mit einer entfernt angeordneten Kamera verbunden ist.
In 4b ist die Handhabungseinrichtung 5 mit bewegbaren Bügeln versehen, die um ein Gelenk 10 herum bewegbar sind, um einen Zitzenbecher, Zitzenreiniger oder dergleichen ergreifen zu können. Jeder Bügel ist mit einer Lichtquelle 6 und einem Paar Miniaturkameras 8 oder einem Paar Faseroptik-Objektiven versehen, die mit einer entfernt angeordneten Kamera verbunden sind.
Die Position der Zitzen wird durch Betrachtung der Zitzen mittels der Kamera oder Kameras 8 und durch geeignete Bildanalyse ermittelt. Im Falle zweier Objektive kann der Parallaxe-Effekt zur Bestimmung der exakten Position verwendet werden.
Die Lichtquelle 6 der 4a und 4b kann ein Dauerlicht zusätzlich zu den Blitzen erzeugen, um zwei unterschiedliche Arten der Bildanalyse zu ermöglichen.
Die Roboterarme der 4a und 4b sind zur Betrachtung der Zitzen von unten geeignet, aber nicht hierauf begrenzt, da die Kombination der ringförmigen Lichtquelle und der Kameraausrichtung in im Wesentlichen die gleiche Richtung ein Bild liefert, das im Wesentlichen keine Schatten aufweist, wenn die Bügel derart angeordnet sind, dass sie eine Achse umgeben, die sich von einem überstehenden Teil des Tiers, wie beispielsweise einer Zitze, erstreckt.
Es sollte beachtet werden, dass die Handhabungseinrichtung 5 der in den 4a und 4b dargestellten Roboterarme derart verdreht oder geneigt sind, dass eine Zitze von der Seite betrachtet werden kann.
Selbstverständlich kann der Roboterarm der 4a mit einem Paar Kameras 8 versehen sein. Weiterhin können beide Lichtquellen der 4a und 4b in mehrere Lichtquellenorgane unterteilt sein, beispielsweise in Reihen der Enden von Faseroptikkabeln, die mit einer Lichtquelle verbunden sind.
5a stellt die Befestigung eines Zitzenbechers 7 an einer Zitze dar. Die Position des Zitzenbechers wird traditionell als der Ort des unteren Endes der Zitze definiert.
5b zeigt jedoch, dass die Orientierung einer Zitze bezüglich einer senkrechten Ebene geneigt sein kann. Wird versucht, einen senkrecht orientierten Zitzenbecher an einer derart geneigten Zitze zu befestigen, so besteht ein großes Risiko, dass die Zitzenbecherbefestigungsabfolge fehl schlägt.
Um somit die Befestigung eines Zitzenbechers an einer geneigten Zitze zu ermöglichen, ist die Handhabungseinrichtung 5 des Roboterarms 4 oder der gesamte Roboterarm derart ausgebildet, dass er gedreht oder geneigt werden kann, um den Zitzenbecher 7 in eine Orientierung zu bringen, die im wesentlichen der der Zitze entspricht.
Um die Orientierung der Zitze bezüglich der senkrechten Ebene V feststellen zu können, wird die oben beschriebene Bildanalyse angewendet, beispielsweise durch Vergleich der Konturen der Zitze (in 5a und 5b sind die Kamera, die Lichtquelle etc. fortgelassen, um die Figuren besser verständlich zu machen). Die Orientierung der Zitze eines individuellen Tiers kann ebenfalls in einem Speicher einer Steuereinheit, die einer Kuhidentifizierungseinrichtung zugeordnet ist, die im Stand der Technik weit verbreitet ist und daher nicht näher beschrieben wird, gespeichert sein.
Es sollte auch beachtet werden, dass wo immer auf eine tierbezogene Handlung Bezug genommen wird, jegliche relevante Handlung gemeint ist, so wie das Befestigen von Zitzenbechern an der Zitze eines Tiers, das Reinigen oder Massieren der Zitzen eines Tiers, das Besprühen der Zitzen nach dem Melken, das Bürsten der Haut etc.
Betrieb
Eine in dem Tierraum 2 stehende Kuh soll gemolken werden. Der Roboterarm 4 holt einen Zitzenbecher 7 und beginnt einen Suchvorgang zum Auffinden der Position einer Zitze. Die Kamera ist in Richtung eines Bereiches gerichtet, wo die Zitze vermutet wird. Eine oder mehrere Laserlinien werden in Richtung dieses Bereiches projiziert.
Eine Kuh besitzt vier Zitzen, jedoch kann die Kamera ein Bild auffangen, das mehr als vier Linien zeigt, aufgrund von Störfaktoren wie einem Bein der Kuh, einem Strohhalm oder einer Strebe der seitlichen Begrenzungseinrichtung 2.
Um schnell feststellen zu können, welche Linien tatsächlich Zitzen repräsentieren, wird die Lichtquelle angesteuert, um den Bereich mittels eines kurzen, intensiven Lichtblitzes zu beleuchten.
Das somit erfasste, hoch aufgelöste Bild wird beispielsweise durch Konturenanalyse analysiert, um die Position der Zitzen festzustellen, das heißt, die Laserlinien auf den Störfaktoren müssen nicht mehr berücksichtigt werden.
Falls die Zitze bezüglich der vertikalen Ebene geneigt ist, wird der Zitzenbecher auf im Wesentlichen die gleiche Neigung eingestellt.
Der Roboterarm wird nun zu einer Zielzitze bewegt, das heißt, eine Zitze an der ein Zitzenbecher befestigt werden soll. Falls erforderlich werden weitere Blitze erzeugt und die Neigung des Zitzenbechers verstellt, bis der Zitzenbecher an der Zitze befestigt ist.
Diese Abfolge wird wiederholt, bis ein Zitzenbecher an jeder der Zitzen befestigt ist.
Das Prinzip der Vorgehensweise gilt auch für eine Kombination einer RGB-Analyse und einer Konturenanalyse.
Selbstverständlich betrifft die beschriebene Vorgehensweise auch andere tierbezogene Handlungen, wie beispielsweise das Reinigen der Zitzen.
Es sollte weiterhin berücksichtigt werden, das wo immer eine Kuh erwähnt ist, jedes Milchtier gemeint ist, wie beispielsweise ein Schaf, eine Ziege, ein Büffel oder ein Pferd.

Claims

Vorrichtung für Tiere zur automatischen Durchführung einer tierbezogenen Handlung, mit – einem Roboterarm (4); – einer an dem Roboterarm (4) angeordneten, mindestens ein Objektiv aufweisenden Kameraeinrichtung (8); und – einer Lichtquelle (6), die derart bezüglich der Kameraeinrichtung (8) angeordnet ist, dass ein zu betrachtendes Objekt aus im Wesentlichen der gleichen Richtung beleuchtet wie betrachtet wird; dadurch gekennzeichnet, dass – eine Bilderfassungseinrichtung der Kameraeinrichtung (8) einer Formerkennungseinrichtung zugeordnet ist; und dass – die Lichtquelle (6) eine Blitzlichteinrichtung ist, die mindestens einen kurzen, intensiven Lichtblitz zur Beleuchtung eines Teils eines mittels der Kameraeinrichtung (8) zu betrachtenden Tiers erzeugt.
Vorrichtung für Tiere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formerkennungseinrichtung das Teil des Tiers durch eine Konturenanalyse identifiziert.
Vorrichtung für Tiere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (6) an dem Roboterarm (4) angeordnet ist.
Vorrichtung für Tiere nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (6) eine Mehrzahl von Lichtblitzen nacheinander erzeugt.
Vorrichtung für Tiere nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (6) einen Reflektor zur Erzeugung eines gerichteten Lichtstrahls aufweist.
Vorrichtung für Tiere nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (6) eine im Wesentlichen ringförmige Form zur Erzeugung eines zunächst im Wesentlichen ringförmigen Lichtstrahls aufweist.
Vorrichtung für Tiere nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Laserstrahler (9) zur Projektion mindestens einer Laserlinie auf das Teil des Tiers zu dessen Beleuchtung vorgesehen ist.
Vorrichtung für Tiere nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des Roboterarms (4) dazu geeignet ist, einen Zitzenbecher (7) in eine Stellung zu manipulieren, die im Wesentlichen gleich der einer geneigten Zitze ist.
Verfahren zum Durchführen einer tierbezogenen Handlung, mit einer Vorrichtung für Tiere nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte: Ausrichten der Kameraeinrichtung (8) und der Lichtquelle auf ein Teil eines Tiers mittels des Roboterarms (4); Ansteuern der Lichtquelle (6) derart, dass sie mindestens einen kurzen, intensiven Lichtblitz erzeugt; Analyse eines aufgezeichneten Bildes mittels einer Formerkennung zur Bestimmung der Position des Teils des Tiers; Bewegen des Roboterarms (4) zumindest teilweise in Richtung des Teils des Tiers; Durchführung einer tierbezogenen Handlung, wenn das Teil des Tiers sicher identifiziert worden ist und wenn der Roboterarm (4) nah genug an das Teil des Tiers heran bewegt worden ist, um eine Durchführung der tierbezogenen Handlung zu erlauben.
Verfahren nach Anspruch 9, umfassend den Schritt des Wiederholens der Abfolge bis das Teil des Tiers sicher identifiziert worden ist und der Roboterarm (4) sich nahe genug an das Teil des Tiers heran bewegt hat, um eine Durchführung der tierbezogenen Handlung zu erlauben.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, umfassend den Schritt der Verwendung einer Kombination mindestens zweier Arten von Bildanalyse.
Verfahren nach Anspruch 11, umfassend den Schritt der Ansteuerung einer zweiten Lichtquelle (9), beispielsweise einer Laserlichtquelle, zur Beleuchtung des Teils des Tiers.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Arten der Bildanalyse eine Beleuchtung mittels einer Laserlichtquelle umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, umfassend den Schritt der Feststellung der Orientierung bezüglich einer senkrechten Ebene, wenn das aufgezeichnete Bild als Zitze erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, umfassend den Schritt der Einstellung der Orientierung eines an der Zitze zu befestigenden Zitzenbechers in eine Orientierung, die der der Zitze im Wesentlichen entspricht, bevor der Zitzenbecher an der Zitze befestigt wird, und danach die Befestigung des Zitzenbechers an der Zitze.