NL2017686B1

NL2017686B1 - Melkrobot

Info

Publication number: NL2017686B1
Application number: NL2017686A
Authority: NL
Inventors: Kraaij Dirk; Brevet Michiel
Original assignee: Lely Patent Nv
Priority date: 2016-10-28
Filing date: 2016-10-28
Publication date: 2018-05-18
Also published as: DE102017010051A1; US10609896B2; US20180116172A1

Abstract

Melkrobotinrichting voor automatisch melken van een melkdier, omvattende een melkbox met melkbekers en een robotarm met een eindeffector voor aanbrengen van de melkbekers op de spenen van het melkdier, aan welke melkbox de robotarm is opgehangen boven het te melken melkdier. De robotarm heeft een met een eerste gewricht met de melkbox verbonden eerste armdeel, en een met een tweede gewricht met het eerste armdeel verbonden en van een eindeffector voorzien tweede armdeel. Het eerste respectievelijk tweede armdeel is met een eerste respectievelijk tweede actuator ten opzichte van de melkbox respectievelijk het eerste armdeel verzwenkbaar in een verticaal vlak. De eindeffector is door de robotarm binnen een werkbereik verplaatsbaar is. De melkrobot omvat een gewichtscompensatieinrichting met een veerinrichting tussen de melkbox en de robotarm. Deze is ingericht voor uitoefenen van een eerste koppel rond het eerste gewricht en een tweede koppel rond het tweede gewricht, zodanig dat, gezien over het werkbereik, het eerste koppel het koppel dat de zwaartekracht op de arm uitoefent rond het eerste gewricht voor tenminste de helft, in het bijzonder voor ten minste 90%, compenseert, en het tweede koppel het koppel dat de zwaartekracht op de arm uitoefent rond het tweede gewricht voor tenminste de helft, in het bijzonder voor ten minste 90%, compenseert. Aldus is een compacte robotarm verschaft, kunnen de betrekkelijk hoog opgehangen gewrichten doelmatig worden beschermd tegen vuil, en kunnen zij met veel lichtere actuatoren worden bediend, zodat ook veel energie kan worden bespaard.

Description

Octrooicentrum

Nederland

Θ 2017686 (21) Aanvraagnummer: 2017686 © Aanvraag ingediend: 28/10/2016

BI OCTROOI @ Int. CL:

A01J 5/017 (2016.01)

rtA Aanvraag ingeschreven:	(73) Octrooihouder(s):
18/05/2018	Lely Patent N.V. te Maassluis.
(43) Aanvraag gepubliceerd:
-	(72) Uitvinder(s):
	Dirk Kraaij te Maassluis.
(at) Octrooi verleend:	Michiel Brevet te Maassluis.
18/05/2018
(45) Octrooischrift uitgegeven:	(74) Gemachtigde:
22/05/2018	ir. M.J.F.M. Corten te Maassluis.

© Melkrobot (57) Melkrobotinrichting voor automatisch melken van een melkdier, omvattende een melkbox met melkbekers en een robotarm met een eindeffector voor aanbrengen van de melkbekers op de spenen van het melkdier, aan welke melkbox de robotarm is opgehangen boven het te melken melkdier. De robotarm heeft een met een eerste gewricht met de melkbox verbonden eerste armdeel, en een met een tweede gewricht met het eerste armdeel verbonden en van een eindeffector voorzien tweede armdeel. Het eerste respectievelijk tweede armdeel is met een eerste respectievelijk tweede actuator ten opzichte van de melkbox respectievelijk het eerste armdeel verzwenkbaar in een verticaal vlak. De eindeffector is door de robotarm binnen een werkbereik verplaatsbaar is. De melkrobot omvat een gewichtscompensatieinrichting met een veerinrichting tussen de melkbox en de robotarm. Deze is ingericht voor uitoefenen van een eerste koppel rond het eerste gewricht en een tweede koppel rond het tweede gewricht, zodanig dat, gezien over het werkbereik, het eerste koppel het koppel dat de zwaartekracht op de arm uitoefent rond het eerste gewricht voor tenminste de helft, in het bijzonder voor ten minste 90%, compenseert, en het tweede koppel het koppel dat de zwaartekracht op de arm uitoefent rond het tweede gewricht voor tenminste de helft, in het bijzonder voor ten minste 90%, compenseert. Aldus is een compacte robotarm verschaft, kunnen de betrekkelijk hoog opgehangen gewrichten doelmatig worden beschermd tegen vuil, en kunnen zij met veel lichtere actuatoren worden bediend, zodat ook veel energie kan worden bespaard.

NL BI 2017686

Dit octrooi is verleend ongeacht het bijgevoegde resultaat van het onderzoek naar de stand van de techniek en schriftelijke opinie. Het octrooischrift komt overeen met de oorspronkelijk ingediende stukken.

Melkrobot

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een melkrobotinrichting voor automatisch melken van een melkdier, omvattende een melkbox met meerdere melkbekers en een robotarm met een eindeffector voor aanbrengen van de melkbekers op de spenen van het melkdier.

Dergelijke melkrobots zijn op zich algemeen bekend. In de praktijk worden er zware en uiteenlopende eisen aan een dergelijk melkrobotsysteem gesteld. Zo beweegt de robotarm tot onder het melkdier en kan worden blootgesteld aan trappen van het melkdier. Daarom zijn de meeste robotarmen zeer degelijk uitgevoerd. Maar omgekeerd dient de dierveiligheid bij gebruik van de robotarm zo veel mogelijk te zijn gewaarborgd. Bovendien verschillen de melkdieren onderling vaak behoorlijk veel in afmetingen, waardoor er een betrekkelijk groot werkbereik voor de arm vereist is. Ook is een melkstalomgeving sterk vervuilend, door agressieve dampen en al dan niet hoog opspattende mest of urine. Voorts is een melkrobot in beginsel continu in bedrijf en verbruikt mede daardoor een aanzienlijke hoeveelheid energie.

Het blijkt in de praktijk dat de huidige melkrobotinrichtingen niet optimaal aan bovengenoemde eisen of omstandigheden voldoen. Het is dan ook een doel van de onderhavige uitvinding om een melkrobotinrichting te verschaffen die aan althans een deel van de bovengenoemde eisen beter voldoet.

De uitvinding bereikt dit doel met een melkrobotinrichting volgens conclusie 1, in het bijzonder een melkrobotinrichting voor automatisch melken van een melkdier, omvattende een melkbox met meerdere melkbekers en een robotarm met een eindeffector voor aanbrengen van de melkbekers op de spenen van het melkdier, aan welke melkbox de robotarm is opgehangen boven het te melken melkdier, waarbij de robotarm een met een eerste gewricht met de melkbox verbonden eerste armdeel, en een met een tweede gewricht met het eerste armdeel verbonden en van een eindeffector voorzien tweede armdeel omvat, waarbij het eerste armdeel met een eerste actuator ten opzichte van de melkbox in een verticaal vlak verzwenkbaar is, en het tweede armdeel met een tweede actuator ten opzichte van genoemd eerste armdeel in een verticaal vlak verzwenkbaar is, waarbij de eindeffector door de robotarm binnen een werkbereik verplaatsbaar is, waarbij de melkrobot voorts een gewichtscompensatieinrichting met een veerinrichting omvat, die is verbonden tussen de melkbox en de robotarm, en die is ingericht voor uitoefenen van een eerste koppel rond het eerste gewricht en een tweede koppel rond het tweede gewricht, zodanig dat, gezien over het werkbereik, het eerste koppel het koppel dat de zwaartekracht op de arm uitoefent rond het eerste gewricht voor tenminste de helft, in het bijzonder voor ten minste 90%, compenseert, en het tweede koppel het koppel dat de zwaartekracht op de arm uitoefent rond het tweede gewricht voor tenminste de helft, in het bijzonder voor ten minste 90%, compenseert.

Hierbij wordt opgemerkt dat het eerste, resp. het tweede armdeel in het bijzonder door de eerste actuator, resp. tweede actuator uitsluitend in een verticaal vlak verzwenkbaar is, hetgeen de constructie als geheel, en de gewrichten in het bijzonder, op zich robuuster kan maken. Hierbij kan het gewenst zijn om de robotarmconstructie als geheel horizontaal verplaatsbaar te maken, langs bijvoorbeeld een geleiderail. Dit maakt voor de gewichtscompensatie en de andere aspecten van de uitvinding echter niet uit.

Met behulp van de twee armdelen en de twee gewrichten is het betrekkelijk eenvoudig om zowel een voldoende groot werkbereik te creëren, als om daarbij de gewrichten hoog boven de grond te houden. Het blijkt hierbij zelfs eenvoudig mogelijk om de gewrichten hoger dan het te melken melkdier te houden, zoals verderop nader zal worden toegelicht.

Voorts wordt met het eerste resp. tweede koppel van de zwaartekracht op de robotarm in beginsel bedoeld het koppel dat de zwaartekracht op alle robotarmdelen die in een verticaal vlak beweegbaar zijn uitoefent rond het eerste resp. tweede gewricht. Dit eerste resp. tweede koppel wordt volgens de uitvinding tegengewerkt oftewel gecompenseerd met behulp van de door de gewichtscompensatieinrichting op de robotarm uitgeoefende veerkracht, waarbij het (ten minste ene) aangrijpingspunt, de grootte en richting(en van de componenten) van de veerkracht dienen te worden gekozen in overeenstemming met o.a. de geometrie en massaverdeling van de robotarm(delen). Dit zal verderop nog nader worden toegelicht aan de hand van enkele voorbeelden.

De gedachte achter de uitvinding is een combinatie van inzichten. Zo zorgt de hoge ophanging van de arm, alsmede daardoor van de gewrichten tussen de armdelen, ervoor dat althans een groot deel van de kwetsbaardere delen zoals gewrichten verre blijven van directe vervuiling door mest- en urinespatten. De verplaatsing van de eindeffector in bijvoorbeeld horizontale richting wordt hierbij bereikt door verzwenken van de armdelen rond hoger gelegen draaipunten. Door de combinatie van armdelen en gewrichten is een compacte robotarmconstructie mogelijk, zeker in vergelijking met een cartesische robotarm.

Het hoge ophangen met verzwenkbaarheid in het verticale vlak brengt weliswaar met zich mee dat het hele gewicht van de arm moet worden verplaatst en gedragen, maar dat wordt op zijn beurt volgens de uitvinding weer gecompenseerd door de gewichtscompensatieinrichting. Deze laatste zorgt ervoor dat het netto te verplaatsen gewicht veel kleiner lijkt, door het compenseren van het krachtmoment van de zwaartekracht. Hierdoor wordt het vereiste koppel van actuatoren zoals elektrische actuatoren geringer, waardoor actuatoren ook kleiner kunnen zijn, en dus de totale constructie nog eens lichter en compacter. Het zorgt er ook voor dat er minder kracht en dus energie nodig is voor verplaatsen van de arm binnen het werkgebied. En dit brengt weer meer inherente veiligheid voor de melkdieren met zich mee, enerzijds doordat de door de robotarm uitgeoefende krachten een stuk geringer worden, en anderzijds doordat het melkdier, maar ook bijvoorbeeld een bedienende persoon, in een benarde situatie eenvoudiger zichzelf kan bevrijden, althans de robotarm kan wegdrukken. Het is deze combinatie van kenmerken en eigenschappen die de melkrobotinstallatie volgens de uitvinding beter aan de eerder genoemde eisen laat voldoen.

Op zich is uit EP0300115 een robotarm met carthesische aandrijvingen bekend, met drie onderling loodrechte geleidestangen. Daardoor zijn er geen gewichtscompensatieproblemen, want de verticale bewegingen kunnen met een katrol en contragewicht worden gecompenseerd, maar is de arm gevoeliger voor vervuiling van de melkbekers en is het geheel minder compact bij eenzelfde werkbereik. Voorts is uit W002/102142 een robotarm met 3 elektrische aandrijvingen bekend. Het document noemt echter verder geen enkel uitvoeringsdetail van de robotarm, noch waarom deze aandrijving enig voordeel zou hebben, of enig ander voordeel met betrekking tot de bovengenoemde eisen aan de melkrobotinrichting.

Bijzondere uitvoeringsvormen zijn beschreven in de afhankelijke conclusies, alsmede in het nu volgende deel van de beschrijving.

In uitvoeringsvormen is of omvat ten minste één, en in het bijzonder elk, van de actuatoren een elektrische actuator, zoals een spindel. Dit biedt het voordeel dat de actuator bij een storing zoals uitvallen van de stroomvoorziening niet slap op de grond valt, maar in beginsel blijft staan door inwendige wrijving. Daardoor is er bij een storing minder kans op onnodige vervuiling van met name de melkbekers. Door deze interne wrijving is het vanwege de gewichtscompensatie ook mogelijk om extra energie te besparen ten opzichte van niet-gecompenseerde melkrobotinrichtingen met elektrische actuatoren. Deze laatste moeten immers, ook indien de robotarm een vaste positie onder bijvoorbeeld een melkdier inneemt, in beginsel voortdurend bekrachtigd zijn in bedrijf. Daardoor is er in beginsel een hoger energieverbruik dan met andere actuatoren zoals pneumatische of hydraulische, die een positie verbruikloos kunnen vasthouden door de fluidumstroom te beletten door het sluiten van een klep. Maar bij de onderhavige uitvinding kan het effectieve of schijnbare gewicht voor de actuatoren zodanig zijn verminderd dat de wrijving de functie van genoemde klep meer of minder kan overnemen. Overigens is het energieverbruik ook bij zeer geringe wrijving een stuk lager, omdat het dan vereiste continue koppel nog steeds met minstens de helft, en met voordeel met ongeveer 90% kan worden verminderd.

In uitvoeringsvormen is of omvat ten minste één, en in het bijzonder elk, van de actuatoren een pneumatische actuator. Een voordeel van de uitvinding is hierbij dat ook deze lichter en kleiner kan worden uitgevoerd, hetgeen met zich meebrengt dat de actuator minder (gezuiverde en getempereerde) lucht en energie verbruikt bij het verplaatsen van de robotarm. Aangezien deze in principe continu in werking is, kan ook hier de besparing aanzienlijk zijn. Zoals hierboven reeds aangegeven zijn ook andere actuatoren mogelijk, zoals hier een hydraulische actuator, die eveneens lichter kan zijn uitgevoerd.

In uitvoeringsvormen is de veerinrichting aan een eerste uiteinde met de melkbox, en aan een tweede uiteinde via een eerste stang met het eerste armdeel, en via een tweede stang met het tweede armdeel verbonden. Met een dergelijke constructie blijkt het goed mogelijk om over het voor een melkrobot vereiste werkbereik het schijnbare gewicht van de robotarm met meer dan de helft, tot wel zo'n 90% terug te brengen. De veerinrichting kan hierbij een schroefveer, gasveer enzovoort zijn. Een gasveer heeft hierbij een voordeel dat die bijvoorbeeld kan worden gecombineerd met een overlastbeveiliging.

Hierbij dient te worden opgemerkt dat de veerinrichting aldus beter ingericht is om twee verschillende krachtmomenten uit te oefenen, zodanig dat de respectieve krachtmomenten van de zwaartekracht op de eerste en tweede gewrichten grotendeels kunnen worden gecompenseerd. Merk hierbij voorts op dat door de vormverandering van de arm, door verzwenking rond de twee gewrichten, het zwaartepunt en dientengevolge de krachtmomenten van de zwaartekracht tamelijk variabel zijn. De lengte en oriëntatie van de stangen kunnen vervolgens daaraan zijn aangepast.

In het bijzonder is de eerste stang met het eerste armdeel verbonden aan een van de melkbox afgekeerde helft van het eerste armdeel, en is de tweede stang met het tweede armdeel verbonden aan een naar het eerste armdeel toegekeerde helft van het tweede armdeel, in het bijzonder aan een met het eerste armdeel verbonden derde deel van het tweede armdeel. Hierin is met helft respectievelijk derde deel bedoeld een deel van het respectieve robotarmdeel ter grootte van de halve lengte resp. een derde deel van de lengte van dat armdeel. De betreffende stangen zijn dan binnen het betreffende deel van het armdeel daarmee verbonden. Aldus kunnen de krachten en momenten worden geoptimaliseerd zonder de compactheid en het werkbereik van de robotarm of het melksysteem in het algemeen te veel te verslechteren.

In een bijzonder aantrekkelijke uitvoeringsvorm van de melkinrichting volgens de uitvinding omvat de eindeffector vier bekerhouders met elk een melkbeker omvat. In het bijzonder zijn deze bekerhouders alle direct met de eindeffector en aldus met de robotarm verbonden. Dit houdt tevens in dat de eindeffector in een nietoperatieve stand, zoals tussen melkbeurten, alle vier de melkbekers op de respectieve bekerhouders draagt. Een dergelijke robotarm is groter en zwaarder dan een robotarm die de melkbekers stuk voor stuk grijpt en aanbrengt, en zal dus nog meer profijt hebben van de onderhavige uitvinding. Een voorbeeld van een robotarm ten gebruike in deze uitvoeringsvorm betreft de Lely Astronaut®, die een eindeffector met vier melkbekers heeft. Hierbij wordt opgemerkt dat de robotarm ook nog andere onderdelen kan omvatten, zoals een speendetectiesysteem, een stel borstels of ander speenvoorbehandelingsinrichting, enzovoort.

De uitvinding zal nu nader worden besproken aan de hand van de tekening, die een of meer uitvoeringsvormen van de uitvinding toont, en waarin meer in het bijzonder:

figuur 1 zeer schematisch in perspectivisch aanzicht een melkrobotinrichting volgens de uitvinding toont, figuur 2 een alternatieve melkrobotinrichting toont, figuur 3 een schematische dwarsdoorsnede van een detail van een melkrotbotinrichting volgens de uitvinding toont, figuur 4 schematisch een krachtenschema bij gebruik van de melkrobotinrichting volgens de uitvinding toont, figuur 5 schematisch een uitvoering met een andere stand van de robotarm toont, en figuur 6 vereenvoudigd en schematisch (niet op schaal) de bij figuur 5 horende krachten toont.

Figuur 1 toont zeer schematisch in perspectivisch aanzicht een melkrobotinrichting 1 volgens de uitvinding. De inrichting omvat een melkbox algemeen aangeduid met verwijzingscijfer 2 en een robotarm 3 met melkbekers 4. De melkbox omvat bovendwarsbalken 10 en bovenlangsbalken 11 alsmede staanders 12 en een middenlangsbalk 13. Met 20 is zeer schematisch een gewichtscompensatieinrichting aangeduid.

Een melkdier is aangeduid met verwijzingscijfer 100 en heeft een uier 101 met spenen 102.

De getoonde melkrobotinrichting 1 is ingericht om de melkbekers 4 aan te sluiten op de spenen 102 van het melkdier 100. Daartoe omvat de inrichting 1 hier niet getoonde actuatoren voor het verplaatsen van de robotarm 3 en het sturen van de diverse delen van de robotarm om de melkbekers 4 te verplaatsen in de richting van de spenen 102. Een en ander zal nader worden getoond in figuur 3. Volgens de uitvinding omvat de inrichting 1 een gewichtscompensatieinrichting 20, die eveneens nader zal worden uitgewerkt in figuur 3.

Figuur 2 toont een alternatieve melkrobotinrichting, waarbij soortgelijke onderdelen zijn aangeduid met gelijke verwijzingscijfers, al dan niet voorzien van een accentteken. De robotarm 3’ omvat hier een ophanging die bovenaan de melkbox kan draaien om een verticale as in de richting van de pijl A, alsmede een grijper 7 voor het grijpen van melkbekers uit een bekermagazijn 6, welke grijper door hier getoonde actuatoren 8 kan worden bewogen in de richting van de pijlen B en C.

Figuur 3 toont schematisch in doorsneezijaanzicht een detail van een melkrobotinrichting volgens de uitvinding. Getoond is een robotarm 3 die is opgehangen aan een bovenste wagendeel 14 en een onderste wagendeel 15 die onderling zijn verbonden door wagenbalk 16. De robotarm 3 omvat een eerste of bovenste robotarmdeel 3-1, een tweede of middelste robotarmdeel 3-2 en (optioneel) een onderste robotarmdeel of eindeffector 3-3. De robotarm 3 omvat tevens een eerste armgewricht 17, een tweede armgewricht 18 en (optioneel) een derde armgewricht 19. Voorts zijn, zij het slechts zeer schematisch, een eerste armcilinder 21 en een (optionele) tweede armcilinder 23 getoond, die met respectieve eerste cilindergewrichten 22 en tweede cilindergewrichten 24 zijn bevestigd tussen de wagenbalk 16 en de respectieve robotarmdelen.

Daarnaast is een gewichtscompensatieinrichting getoond in de vorm van een gasveer 25 die met een gasveergewricht 26 is bevestigd aan het onderste wagendeel 15 alsmede met een eerste stang 30 en een tweede stang 32, die scharnierend in gasveergewricht 26 en eerste stanggewricht 31 respectievelijk tweede stanggewricht 33 verbonden zijn met het eerste armdeel 3-1 respectievelijk het tweede armdeel 3-2. Merk op dat in deze figuur duidelijkheidshalve niet is getoond de actuator tussen de wagenbalk 16 en het eerste armdeel 3-1, die zonder de gewichtscompensatieinrichting het grootste gewicht zou moeten dragen. Dit zal echter nader worden verduidelijkt in figuur 4.

De getoonde robotarm 3 met de actuatoren kan de melkbekers 4, die zijn geplaatst op melkbekerhouders 5, verplaatsen binnen een werkbereik 40 waarvan de grenzen zijn aangegeven met de streeplijn. Het werkbereik 40 kan zodanig groot zijn, en bijvoorbeeld lopen van ruim buiten de melkbox tot verder dan het midden van de melkbox, dat het netto zwaartepunt van de totale robotarm 3 over een betrekkelijk grote afstand kan verschuiven. Om over dit betrekkelijk grote werkbereik 40 toch een voldoende werkzame gewichtscompensatie te bereiken, dient de gasveer 25 op basis van berekeningen (bijvoorbeeld met een wiskundig model van de kinematica, waarmee de netto zwaartekrachtreductie kan worden uitgerekend als functie van de ontwerpparameters alsmede het werkbereik van de arm, en een kleinstekwadratenmethode, waarmee optimale combinaties van ontwerpparameters van het model kunnen worden uitgerekend, gegeven wederom het gewenste werkbereik en het zwaartepunt van de arm) of trial-and-error goed gepositioneerd te worden ten opzichte van de betreffende armdelen 3-1 en in dit geval 3-2. Daartoe is de gasveer 25 niet met slechts een enkele stang verbonden met één robotarmdeel, doch met behulp van een eerste stang 30 en een tweede stang 32 met twee robotarmdelen. Aldus zal bij een vormverandering van de robotarm, en dientengevolge een (sterkere) verplaatsing van het zwaartepunt, de richting en het aangrijpingspunt van de veerkracht van de gasveer 25, en van de componenten daarvan die werken via de stangen 30 en 32, doelmatig mee verplaatsen.

Hier wordt opgemerkt dat de opdeling van de robotarm in een eerste, tweede en derde robotarmdeel optioneel is. Het is voldoende wanneer slechts een eerste armdeel en een tweede armdeel met eindeffector zijn verschaft. Dat biedt het voordeel dat de gewrichten 17 en 18 beide hooggeplaatst kunnen zijn, ver van urine of mestspatten. Dit kan bijvoorbeeld worden bereikt door gewricht 19 star uit te voeren, zoals als een las, waarbij armdelen 3-2 en 3-3 dus in wezen star verbonden zijn tot één enkel armdeel. Echter, in sommige gevallen kan een gewricht 19 met een cilinder 23 voordelig zijn, bijv. als een overlastbeveiliging bij een koetrap. De cilinder dient dan als een gasveer die slechts bij een te grote belasting (koetrap o.d.) uitrekt, en armdeel 3-3 toestaat om om gewricht 19 te draaien. Deze uitvoering kan sneller reageren dan één waarin de hele arm met armdeel 3-2 en 3-3 zou moeten draaien.

Het is van voordeel wanneer het eerste aangrijpingspunt van de eerste stang 30, dat wil zeggen het eerste stanggewricht 31, verbonden is met het eerste armdeel 3-1 en hetzij in het midden van het armdeel 3-1 ligt, hetzij tussen dat midden en het eerste armgewricht 17. Het is eveneens van voordeel indien het aangrijpingspunt van de tweede stang 32, dat wil zeggen tweede stanggewricht 33, zich ten hoogste in het midden van het tweede armdeel 3-2 bevindt, en met voordeel tussen het tweede armgewricht 18 en een punt op éénderde van de lengte van het tweede armdeel. Aldus verbonden met de gasveer 25, zal deze laatste op geschikte wijze over het werkbereik 40 het krachtmoment van de zwaartekracht op de robotarm 3 grotendeels kunnen opheffen, zowel een eerste krachtmoment rond gewricht 17 als een tweede krachtmoment rond gewricht 18. Dientengevolge zullen de krachtmomenten die door met name de eerste armcilinder 21 en de hier niet getekende armactuator die het eerste armdeel 3-1 beweegt ten opzichte van het bovenste wagendeel 14 veel kleiner zijn dan zonder de gewichtscompensatie.

De in dit voorbeeld getoonde robotarm omvat vier melkbekers 4 op vier bekerhouders 5. Aldus zal de robotarm 3 als geheel zwaarder zijn dan bijvoorbeeld de uitvoeringsvorm van de robotarm in figuur 2, die slechts één melkbeker 4 hoeft te dragen, zonder enige bekerhouder. De robotarm 3 van figuur 3, althans de eindeffector, dient bovendien groter en breder te zijn om alle de vier de melkbekers te kunnen dragen. Daar bovendien in beide gevallen de robotarm 3 respectievelijk 3’ voldoende degelijk dient te zijn uitgevoerd om bijvoorbeeld trappen van melkdieren te kunnen weerstaan, is het totale gewicht van een dergelijk robotarm 3 vaak behoorlijk hoog. In een praktijkvoorbeeld heeft een robotarm 3 een massa van ongeveer 100 kg. Door de gewichtscompensatie lijkt deze massa voor wat betreft de uit te oefenen krachten te zijn teruggebracht tot maximaal ongeveer 10 kg, en in een groot deel van het werkbereik 40 zelfs minder dan 5 kg. Dit betekent dat de vereiste krachtmomenten die door de actuatoren op de robotarmdelen dienen te worden uitgeoefend eveneens met ongeveer een factor tien a twintig kunnen worden teruggebracht. De daarvoor vereiste actuatoren worden bemeten op basis van het (maximale) koppel dat zij genereren. Aangezien het nu vereiste maximale koppel veel geringer is dan zonder gewichtscompensatieinrichting kunnen die actuatoren veel kleiner zijn. Hier wordt overigens opgemerkt dat in deze en andere uitvoeringsvormen gemakshalve is uitgegaan van cilinders als actuatoren. Het kunnen echter in deze en alle andere uitvoeringsvormen alternatief of aanvullend ook elektrische actuatoren zoals spindels zijn, enzovoort. Deze kunnen voorts ook zijn ingebouwd in de gewrichten, en bijvoorbeeld zijn voorzien van een planetaire overbrenging. De keuze van de actuator is echter voor de onderhavige uitvinding van ondergeschikt belang.

Figuur 4 toont schematisch een krachtenschema van de meest relevante krachten die optreden in de inrichting volgens figuur 3. Getoond is hier de actuator 35 die is verbonden tussen het onderste wagendeel 15 met een niet getoond scharniergewricht alsmede met het eerste armdeel 3-1 bij een gewricht dat is aangegeven met ai. De door de actuator 35 uitgeoefende kracht is hier schematisch weergegeven met de vector Fi. Evenzo is de door actuator 21 op het armdeel 3-2 uitgeoefende kracht aangeduid met F₂.

De gewichtscompensatie-gasveer 25, die ook een ander type veer kan zijn en hier slechts symbolisch is weergegeven tussen de gewrichten 26, 31 en 33, heeft een basislengte L0 en via de stangen 30 en 32 worden de respectieve veerkrachtcomponenten F_vi uitgeoefend op het eerste armdeel 3-1, bij het eerste stanggewricht 31, en een tweede veerkrachtcomponent F_V2 op het tweede armdeel 3-2 bij het tweede stanggewricht 33.

Voorts is getoond de positie van het zwaartepunt 36 in deze stand, alwaar een zwaartekracht W wordt uitgeoefend. Tot slot is een reactiekracht W_r getoond die bij het eerste armgewricht 17 op het bovenste wagendeel 14 wordt uitgeoefend. Merk op dat de kracht F_v meestal ongeveer tweemaal zo groot is als elk van de krachten W en W_r.

De krachtmomenten van de getoonde krachten rond hun respectieve draaiingspunten, d.w.z. gewricht 17 respectievelijk 18, kunnen eenvoudig worden berekend. Door de plaatsen van de eerste en tweede stanggewrichten 31 en 33, alsmede de lengtes van de eerste en tweede stangen 30 en 32 geschikt te kiezen, in afhankelijkheid van de positie van het zwaartepunt 36, kan ervoor worden gezorgd dat het krachtmoment dat door de actuator 35 rond het eerste armgewricht 17 dient te worden uitgeoefend met een factor twee tot wel twintig kan afnemen, en tevens dat het krachtmoment dat door de actuator 21 rond het tweede gewricht 18 dient te worden uitgeoefend met een factor 2 tot wel 20 kan afnemen.

In Figuur 5 is een uitvoering met een andere stand van de robotarm getoond, met in Figuur 6 vereenvoudigd en schematisch (niet op schaal) de bijbehorende krachten. In Figuur 5 is de robotarm ver ingezwenkt, tot in de melkbox. Daardoor bevindt het zwaartepunt 36 zich op een heel andere positie ten opzichte van de gewrichten 17 en 18. Zonder gewichtscompensatieinrichting zou de actuator 21 nu een grote tegenkracht moeten ontwikkelen om het koppel van de zwaartekracht rond gewricht 18 (en 17) te compenseren. Door de gewichtscompensatieinrichting in de vorm van de veerinrichting 25 met de stangen 30 en 32 worden nu tegenkrachten F'_vi en F'_V2 uitgeoefend, die koppels genereren als compensatie van de koppels van de zwaartekracht W rond de gewrichten 17 en 18. Bij het inzwenken wordt de veer 25 enigszins ingedrukt tot lengte L1, waardoor de netto veerkracht F'v verandert. Via de stangen 30 en 32 veranderen de componenten F'_vi en F'_V2 dan eveneens, met hun koppelcompenserende effect. De nu nog vereiste kracht F'₂ is tengevolge van het grotendeels gecompenseerde zwaartekrachtkoppel is veel kleiner dan zonder de gewichtscompensatieinrichting volgens de uitvinding. Hier wordt opgemerkt dat het voordelig is wanneer de veer een hoge voorspanning heeft, waarbij de maximale lengteverschillen over het werkbereik klein zijn, bijvoorbeeld maximaal 30%. Voorts blijkt het voordelig als de krachtwerking van de veer met name tot uitdrukking komt in de richting van de (veer)kracht. Zo is in Figuur 6 te zien dat F'2 in een andere richting werkt, omdat het zwaartepunt nu anders ligt ten opzichte van het bijbehorende gewricht (cfr. 18 in Figuur 4). Om dit goed op te vangen en nog steeds een grote reductie te hebben, werkt de veerkracht nu ook in die omgekeerde richting, in de vorm van component F'_V2- Om dit te bereiken dient het stangenstelsel (cfr. 30 en 32 in Figuur 4) overeenkomstig bemeten te worden, zodat dit qua werkingsrichting van de veerkracht tijdig omklapt.

Hier wordt opgemerkt dat het vinden van (de meest) geschikte posities en lengtes van de armen 30 en 32, en van een veerconstante van de veerinrichting 25 afhankelijk zijn van de geometrie van de robotarm 3 en het gekozen werkbereik 40. Het is vrij rechttoe-rechtaan om een stel waarden te vinden die zorgen voor een koppelreductie met de helft. Het verfijnen van de uitvinding tot een stel waarden die zorgen voor een koppelreductie met zo'n 90 tot 95% is meer werk maar betrekkelijk rechttoe-rechtaan, zoals met een veer met instelbare veerconstante en met twee armen 30 en 32 die verschuifbaar zijn langs de armdelen 3-1 en 3-2 en in lengte verstelbaar zijn. Uitlezen van de door de actuatoren 35 respectievelijk 21 levert dan vrij snel een goed beeld op van geschikte waarden. Deze trial-and-error-werkwijze kan overigens goed worden ondersteund door voorafgaande berekeningen.

De getoonde uitvoeringsvormen zijn niet beperkend bedoeld doch slechts ter uitleg en illustratie van de uitvinding. De beschermingsomvang van de uitvinding wordt bepaald aan de hand van de aangehechte conclusies.

Claims

CONCLUSIES

1. Melkrobotinrichting voor automatisch melken van een melkdier, omvattende een melkbox met meerdere melkbekers en een robotarm met een eindeffector voor aanbrengen van de melkbekers op de spenen van het melkdier, aan welke melkbox de robotarm is opgehangen boven het te melken melkdier, waarbij de robotarm een met een eerste gewricht met de melkbox verbonden eerste armdeel, en een met een tweede gewricht met het eerste armdeel verbonden en van een eindeffector voorzien tweede armdeel omvat, waarbij het eerste armdeel met een eerste actuator ten opzichte van de melkbox in een verticaal vlak verzwenkbaar is, en het tweede armdeel met een tweede actuator ten opzichte van genoemd eerste armdeel in een verticaal vlak verzwenkbaar is, waarbij de eindeffector door de robotarm binnen een werkbereik verplaatsbaar is, waarbij de melkrobot voorts een gewichtscompensatieinrichting met een veerinrichting omvat, die is verbonden tussen de melkbox en de robotarm, en die is ingericht voor uitoefenen van een eerste koppel rond het eerste gewricht en een tweede koppel rond het tweede gewricht, zodanig dat, gezien over het werkbereik, het eerste koppel het koppel dat de zwaartekracht op de arm uitoefent rond het eerste gewricht voor tenminste de helft, in het bijzonder voor ten minste 90%, compenseert, en het tweede koppel het koppel dat de zwaartekracht op de arm uitoefent rond het tweede gewricht voor tenminste de helft, in het bijzonder voor ten minste 90%, compenseert.
2. Melkrobotinrichting volgens conclusie 1, waarbij ten minste één, en in het bijzonder elk, van de actuatoren een elektrische actuator is of omvat.
3. Melkrobotinrichting volgens conclusie 1 of 2, waarbij ten minste één, en in het bijzonder elk, van de actuatoren een pneumatische actuator is of omvat.
4. Melkinrichting volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de veerinrichting aan een eerste uiteinde met de melkbox is verbonden, en aan een tweede uiteinde via een eerste stang met het eerste armdeel, en via een tweede stang met het tweede armdeel is verbonden.
5. Melkinrichting volgens conclusie 4, waarbij de eerste stang met het eerste armdeel verbonden is aan een van de melkbox afgekeerde helft van het eerste armdeel, en waarbij de tweede stang met het tweede armdeel is verbonden aan een naar het eerste armdeel toegekeerde helft van het tweede armdeel, in het bijzonder aan een met het eerste armdeel verbonden derde deel van het tweede armdeel.
6. Melkinrichting volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de eindeffector vier bekerhouders met elk een melkbeker omvat

E

B

2/4