DE4113700A1 - Verfahren zum automatischen melken von in melkboxen stehenden milchkuehen, sowie melkbox, roboter und melkmodul zur durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum automatischen Melken von in einer Melkbox stehenden Tieren, insbesondere Milchkühen, mittels von einem Roboter geführter Melkbecher, die, von einem Datenspeicher und -rechner gesteuert, an die Zitzen des Tieres herangefahren und angesetzt werden, sowie auf eine Melkbox, einen dem Melken dienenden Roboter und einen Melkmodul zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es ist bekannt, Milchkühe automatisch mit Hilfe von automatischen Melkrobotern zu melken. Die Milchkühe werden dazu durch eine Eingangstür in eine Melkbox eingelassen, in der die Kuh nach ihrem Eintreten von Wänden umgeben ist, die zwar ein bequemes Stehen erlauben, den Bewegungsfreiraum jedoch einschränken. An der Kopfseite der Melkbox befindet sich eine Futterstelle, die die Kuh vergessen läßt, daß ihre Bewegungsfreiheit eingeschränkt ist. Außerdem weiß die Kuh, daß sie in der Melkbox gemolken wird und empfindet dies im allgemeinen auch als angenehm.

Entsprechend dem Gemütszustand der Kuh beim Eintreten in die Melkbox und ihrem Zurechtfinden mit der Situation wird sie sich entweder ruhig bis wild bewegen. Ein ruhiges Verhalten wird den Ansetzvorgang der Melkbecher an die Zitzen nicht erschweren. Schwierig ist es aber bei sich wild oder aktiv bewegenden Kühen. In diesen Fällen kann der automatische Melkroboter versagen oder sogar beschädigt werden.

Ein weiterer Nachteil bekannter automatischer Melkroboter besteht in der Länge des Melkvorganges. Die Melkbecher werden bei jedem neuen Melkvorgang aus einer Ausgangsposition außerhalb der Kuh zur jeweils zu melkenden Zitze gefahren.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei dem der Ansetzvorgang beschleunigt und sichergestellt ist, daß der Ansetzvorgang sicher und ohne Gefahr für Kuh und Roboter zu Ende geführt werden kann.

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

• - der Melkbecher oder eine Melkbechergruppe vom Roboter in eine Zwischenposition gefahren wird, die sich in einer horizontalen Ebene vor und unterhalb dem Euter des Tieres befindet, wobei vorher in einem Einlernvorgang einmalig für jedes einzelne zu melkende Tier die Lage dieser Zwischenposition sowie von Zitzenpositionen ausgemessen und die ausgemessenen Werte dem Datenspeicher als tierspezifische Positionen eingegeben wurden,
• - der Roboter beim Handhaben der Melkbecher diese von der tierspezifischen Zwischenposition rechnergesteuert in für die Zitzen dieses Tieres spezifische Zitzenstartpositionen fährt, wobei diese Zitzenstartpositionen beim Handhaben einer Melkbechergruppe gegebenenfalls übergangen werden,
• - der Roboter danach beim einzelnen Handhaben der Melkbecher rechnergesteuert nacheinander, gespeicherte einzelne Soll-Zitzenpositionen und beim Handhaben einer Melkbechergruppe rechnergesteuert eine zentrale Soll-Zitzenposition anfährt,
• - von diesen Soll-Zitzenpositionen aus sondengesteuert die momentane Ist-Zitzenposition ermittelt und vom Melkbecher oder der Melkbechergruppe angefahren wird,
• - der Melkbecher oder die Melkbechergruppe aus der Ist-Zit­ zenposition durch Hochfahren angesetzt wird.

Durch die Einführung der Zwischen- und Startpositionen vor dem Euter kann der Melkbecher oder können mehrere zu einer Melkbechergruppe zusammengefaßte Melkbecher vom Roboter schnell in die Nähe des Euters gefahren werden, wenn sich die vielleicht sonst wild oder aktiv bewegende Kuh für einen Augenblick ruhiger verhält. Von dieser Zwischenposition aus werden beim Einzelansetzen von Melkbechern diese nacheinander die Zitzenstartpositionen, die Soll-Zitzenpositionen und Ist-Zitzenpositionen anfahren, wobei der Datenspeicher und -rechner auch dafür sorgen wird, daß eine körperliche Rückführung in die Zwischen- oder Startpositionen nicht erfolgen muß, sondern durch Bezugnahme auf die Zwischen- oder Startpositionen von der einen bedienten Zitze sofort die nächstfolgende Zitze mit ihrer Soll- und Ist-Zitzenposition angefahren wird.

Beim Einsatz einer Gruppe von Melkbechern wird von der Zwischenposition aus sofort eine zentrale Soll­ Zitzenposition angefahren, die sich zwischen den Zitzen befindet und von der aus der Rechner die Melkbechergruppe sondengesteuert zur momentanen zentralen Ist-Zitzenposition zwischen den Zitzen fährt.

Von besonderer Bedeutung ist dabei die Datenspeicherung der Abmessungen jeder einzelnen Kuh. Jedes Euter ist individuell anders gestaltet. Werden die individuellen Abmessungen jeder Kuh zuvor in den Datenspeicher eingegeben, dann braucht nur noch der Name oder eine Kennziffer der Kuh aufgerufen zu werden, wenn diese die Melkbox betritt. Der Roboterarm kann dann den oder die Melkbecher sofort in die Zwischenposition der gerade zu melkenden Kuh und von dort aus mittels globaler Sensoren zu den Startpositionen fahren, von der aus über die gespeicherte Soll-Zitzenposition die momentane Ist-Zitzenposition in kürzester Zeit erreichbar ist.

Das Verhalten der Kuh geht in den Anfahr- und Ansetzprozeß ein. Reagiert eine Kuh mit zu aktiven, wilden Bewegungen, sei es beim Eintreten in die Melkbox oder während sie sich schon in dieser aufhält, weil sie vielleicht ein Fliege ärgert, dann bleibt der Roboterarm sofort stehen und verharrt in dieser Stellung bis sich die Kuh wieder beruhigt hat. Erst dann setzt er seine Anfahr- und Ansetzbewegung fort. Die Kuh wird also bei wilden Bewegungen nicht von dem sich auch noch bewegenden Roboterarm irritiert, kann sich also schneller beruhigen. Wichtig ist aber auch, daß die Kuh bei Überreaktionen den sich ruhig verhaltenden Roboterarm nicht beschädigt.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die kuhspezifischen Daten im Datenspeicher als Weglängen gespeichert werden. Dieses Festlegen und Abspeichern der Weglängen stellt eine einfache Möglichkeit dar, den oder die Melkbecher mittels des Roboterarmes, gezielt zugeschnitten auf die einzelne Kuh, zur Zwischenposition und weiter zu den Startpositionen und Zitzen zu verfahren.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Bewegungen der Kuh in der Melkbox mittels Sensoren überwacht werden, die auf den Körper der Kuh gerichtet sind. Als Sensoren kommen dabei vorzugsweise Ultraschall-Sensoren in Betracht. Es ist aber ebenso gut möglich, mit Infrarot- oder optischen Sensoren zu arbeiten. Die Sensoren reagieren sehr empfindlich auf Positionsänderungen des Körpers der Kuh in der Melkbox.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß etwa alle 40 bis 60 msec die Abstände zwischen den beaufschlagten Körperteilen der Kuh und den Sensoren gemessen und daraus die während dieser Zeitintervalle eingetretenen Lageänderungen des Kuhkörpers ermittelt werden. In weiterer Ausgestaltung dieses Merkmales der Erfindung ist vorgesehen, daß die ermittelten Lageänderungen pro Zeitintervall in Klassen eingeteilt werden, die dem Datenspeicher und -rechner mitteilen, ob sich die Kuh ruhig, lebhaft oder aktiv verhält, wobei der Fahrvorgang des Roboterarmes im Verlaufe und damit während der Zeit des wilden oder aktiven Verhaltens der Kuh unterbrochen wird.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Weglängen im zweidimensionalen X-Y-Koordinatensystem einer horizontalen Ebene gespeichert werden und daß die von der jeweiligen Zitzenstartposition und Zitzen-Sollpositionen ausgehende sondengesteuerte Endausrichtung auf die jeweilige Zitze abgeschlossen wird durch das Anheben des Melkbechers in der Z -Koordinate des Koordinatensystems. Das Anfahren der einzelnen Positionen bis hin zur jeweiligen Ist-Zitzenposition allein in der horizontalen Ebene vereinfacht den maschinellen Aufwand.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß mehrere Melkbecher vom Roboterarm auf einem Melkbechermodul geführt werden und dieser Melkbechermodul nach dem Ansetzen der Melkbecher an die jeweilige Zitze aus der Ansetzlage abgesenkt wird. Damit werden die Zitzen während des Melkens nur mit den Melkbechern belastet. Außerdem können sich die Melkbecher frei auf die Zitzen einstellen. Somit wird das Tier nicht vom Melkbechermodul, das als Ansetz-und Abnahmehilfe dient, gestört.

Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist bei einer Melkbox vorgesehen, daß an der Rückwand der Melkbox, der das Heck der Kuh zugewandt ist, in etwa gleicher Höhe zum Boden und im gegenseitigen Abstand Sensoren angeordnet sind, deren Meßkeulen nach vorn auf das Heck der Kuh gerichtet sind, und daß an den Seitenwänden der Melkbox in Körperhöhe und etwas vor dem Euter der Kuh weitere Sensoren angeordnet sind, deren Meßkeulen quer zur Kuh auf deren Körper gerichtet sind. Die Meßkeulen sind dabei vorzugsweise mit einem Streuwinkel von ca. 10° auf den Körper der Kuh gerichtet. Mehrere, vorzugsweise zwei auf das Heck der Kuh gerichtete Sensoren schalten Meßfehler, die durch einen sich bewegenden Schwanz der Kuh verursacht werden können, aus.

Das setzt allerdings voraus, daß die Hecksensoren nicht zu hoch angeordnet sind. Sind die Hecksensoren zu hoch angeordnet, dann messen sie wegen der sehr zerklüfteten Gestalt des Tieres zu ungenau. Sind die Hecksensoren zu tief angeordnet, dann steigt die Wahrscheinlichkeit, daß der Schwanz stört. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden die Hecksensoren wenige Zentimeter, vorzugsweise 15-20 Zentimeter tiefer als der Schwanzansatz angeordnet sein.

Der sich bewegende Schwanz wird immer nur einem Sensor einen kürzeren Abstand vortäuschen. Für die Festlegung der Entfernung wird immer der Meßwert des auf das Heck der Kuh gerichteten Sensors ausgewertet, der den größeren Meßwert liefert. Dies ist nämlich der Meßwert, der vom Heck der Kuh herrührt.

Der zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung eingesetzte Roboter ist erfindungsgemäß derart gestaltet, daß der Roboterarm nur in der Horizontalen einmal um ein mit einer vertikalen Schwenkachse versehenes Drehgelenk schwenkbar ist und weiterhin im Abstand von diesem Drehgelenk ein weiteres um eine vertikale Achse wirkendes Drehgelenk aufweist zur Ausführung von Drehbewegungen in der horizontalen X-Y-Richtung. Das hat den Vorteil, daß die Antriebe der vertikalen Drehachsen entkoppelt sind von der Kraftaufnahme (durch das Tier verursachte Gewichtskräfte und vertikale Schlagkräfte). Die Gelenke können dadurch robust sein und durch relativ kleine, getriebelose Servoantriebe bedient werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Roboterarm oder nur die Melkbecher senkrecht dazu in der Z-Richtung anheb- und absenkbar ist. Der Roboterarm wird bei jedem Ansetzvorgang vor der Z-Höhen-Einstellung nur in der X-Y-Ebene auf das jeweilige Kuheuter eingestellt und dann im eigentlichen Ansetzvorgang, beispielsweise bei einer Modultechnik durch einzelne, pro Melkbecher vorgesehene Hubachsen, mit einem Hub von beispielsweise 250 mm hochgestellt. Damit läßt sich die Motorik des Roboters einfach aufbauen. Der eigentliche Ansetzvorgang kann, da er mit geringen Kräften behaftet ist, sehr schnell durchgeführt werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist dazu vorgesehen, daß die Schwenkbewegungen des Roboterarmes in der horizontalen X-Y-Ebene um seine horizontalen Schwenkachsen mittels jeweils zugeordneter Elektromotoren erfolgt, während das Anheben und Absenken in der vertikalen Z-Richtung pneumatisch erfolgt. Der pneumatische Hub in der Z-Achse ist dem an sich auch möglichen Hub mittels Zahnriemen oder Servomotoren vorzuziehen, weil die Pneumatik mittels Überdruckventilen ideal auf Tierschläge reagieren kann. Schlägt eine Kuh auf den Modul oder die Melkbecher, so können das Modul oder der Melkbecher beim Überschreiten einer gewissen Schlagkraft in Richtung der Z-Achse nachgeben und sich absenken. Mittels eines Lageregelkreises (Istwertgeber-Rech­ ner-Ventile-Zylinder) werden Modul oder Melkbecher nach dem Schlag wieder weich in die Ausgangsposition verfahren.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung dient der Verwirklichung des automatischen Melkverfahrens ein Roboter, der gekennzeichnet ist durch eine Zitzenortungsanordnung (A) mit von Energiequellen abgegebenen Energie- (Ultraschall oder Infrarot)­ strahlen, die auf einen Soll-Mittelpunkt oberhalb eines einzelnen Melkbechers oder einen zentralen Soll-Mittelpunkt eines mit einer Melkbechergruppe besetzten Melkmoduls gerichtet sind, wobei bei einem Abweichen eines vom Rechner vorgegebenen Soll-Mittelpunktes von dem Ist-Mittel­ punkt, in dem sich die Zitze(n) befindet(n), der den Melkbecher oder den Melkbechermodul tragende Roboterarm rechnergesteuert in X- und Y-Richtung verschoben wird, bis sich die Soll- und Ist-Mittelpunkte decken. Die Energiestrahlen messen damit die Differenz von Soll- und Ist-Mittelpunkt im Bereich eines die Mittelpunkte einschließenden Meßkreises und sind in der Lage, innerhalb dieses Meßkreises mit dem Rechner die Nachführung zum Ist-Mittelpunkt vorzunehmen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zwei erste Energiestrahlen gegenüber Parallelen zu einem zweiten Energiestrahl um 30° aufeinander zugeneigt sind, wobei sich die Mittellinien aller Energiestrahlen in dem Soll-Mittelpunkt schneiden. Die Messung erfolgt dabei durch die Ausbildung eines gleichschenkligen Meßdreiecks; sie wird damit sehr präzise.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß unterhalb der ersten Energiequellen für die zwei ersten Energiestrahlen zwei weitere Energiequellen für weitere erste Energiestrahlen vorgesehen sind, die sich nach oben ansteigend mit den ersten und zweiten Energiestrahlen in dem Soll-Mittel­ punkt treffen. Die weiteren Energiestrahlen werden eingesetzt, wenn durch das Verhalten des Tieres in den Strahlengang gelangende Zitzen die Messung behindern. Der Rechner schaltet dann von den oberen ersten Energiequellen zu den weiteren unteren Energiequellen, die damit die Messung übernehmen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die ersten Energiestrahlen und der zweite Energiestrahl gegenüber der Horizontalen um 15° ansteigend und die weiteren Energiestrahlen gegenüber der Horizontalen um 40° ansteigend auf den Soll-Mittelpunkt gerichtet sind. Diese Anordnung stellt sicher, daß die Melkbecher bei der Messung sich noch in einem ausreichenden Sicherheitsabstand unterhalb der Zitzen befinden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Roboter zum automatischen Melken gekennzeichnet durch

• - eine Zitzenortungsanordnung mit einem von einer Strahlungsquelle ausgehenden Lichtstrahl, der zu einer Lichtebene aufgeweitet wird, durch welche Lichtebene Zitzen hindurchgreifen können,
• - wenigstens eine Videokamera CCD1 oder/und CCD2, deren Objektivmittellinien y1 oder/und y2 sich im Melkbecher- oder Melkbechermodul-Mittelpunkt treffen, der auch in die Lichtebene fällt, wobei bei einem Abweichen eines vom Rechner vorgegebenen Soll-Mittel­ punktes von dem Ist-Mittelpunkt, in dem sich die Zitze(n) befindet(n), der den Melkbecher oder den Melkbechermodul tragende Roboterarm rechnergesteuert in X- und Y-Richtung verschoben wird, bis sich die Soll- und Ist-Mittelpunkte decken.

Dabei ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß der von der Strahlungsquelle erzeugte Lichtstrahl ein Laserstrahl mit stark gebündelten parallelen Lichtstrahlen ist. Als Strahlungsquelle dient vorzugsweise eine Laserdiode. Diese Bildverarbeitungsanordnung gestattet über die Videokameras gleichzeitig noch andere Beobachtungen, wie Sauberkeit oder äußerlich sichtbare Eutererkrankungen. Das Arbeiten mit nur einer Videokamera verringert den technischen Aufwand. Zwei Videokameras verbessern die Qualität der Messung.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Objektiv-Mittellinien gegenüber Parallelen zur Strahlmittellinie um 28° in Richtung auf die Strahlmittellinie zugestellt sind.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Zitzenortungsanordnung (A, B) an einen Roboterarm angeordnet ist, der den Melkbecher oder den Melkbechermodul mit der Gruppe von Melkbechern trägt. Die Zitzenortungsanordnung ist damit zusammen mit dem Roboter von Melkbox zu Melkbox verfahrbar.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß alle Versorgungsleitungen der Melkbecher und der Melkbechermodule über den den Modul tragenden Roboterarm und den Roboter zu einer zentralen Milchsammelstelle und Energieversorgungseinheit geführt sind. Dadurch kann die Anordnung noch beweglicher werden, wenn die Leitungen beispielsweise über eine mitlaufende Rollenführung oberhalb des Roboters mitlaufen und die Bewegungen des Roboters nicht behindern.

Die Melkbecher können auf verschiedenen Art und Weise von einem Roboter gehandhabt werden. Ein einzelner Melkbecher wird für sich allein einem Magazin entnommen und angesetzt. Dabei sind die zu überwindenden Wegstrecken aber recht lang und zahlreich. Günstiger ist es, alle Melkbecher als Gruppe so nahe wie möglich in den Euterbereich zu bringen. Dazu werden Melkbecher­ module eingesetzt. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein derartiger Modul derart ausgebildet, daß

• - jeder einzelne Melkbecher lösbar in einer ihn umfassenden, vom Roboterarm getragenen Hebevorrichtung gehalten ist, mittels der er hochfahrbar und an eine Zitze ansetzbar ist,
• - die Hebevorrichtung danach durch ein Absenken von der Zitze und dem daran haften bleibenden Melkbecher wieder allein absenkbar ist,
• - der Melkbecher nach dem Abschluß des Melkvorganges durch Absenken auf den Modul zurückführbar ist.

Der Roboterarm führt in diesem Fall nur Bewegungen in der X-Y-Ebene aus. In der Z-Richtung brauchen nur geringe Massen bewegt zu werden.

Eine andere Ausführungsform eines Melkbechermoduls ist dadurch gekennzeichnet, daß

• - jeder einzelne Melkbecher mittels einer Hebevorrichtung zum Ansetzen an eine Zitze anhebbar ist, wobei sich die Hebevorrichtung mittels eines aufblasbaren Gummibalges am Modul anstützt,
• - der Gummibalg nach dem Ansatzvorgang entspannbar ist, wodurch sich der Melkbecher in einem Winkelbereich von etwa bis zu 40° dem individuellen Tiereuter anpaßt.

Der Modul senkt sich bei dieser Ausführung nach dem Ansetzen des Melkbechers nicht ab; er bleibt vielmehr unterhalb des Euters in Kontakt mit dem angesetzten Melkbecher. In diesem Fall ist es nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft, wenn für jede Zitze eines Tieres eine dieser Zitze zugeordnete Hebevorrichtung vorgesehen ist, die sich mit oder ohne zwischengefügten Gummibalg an einem Tablett abstützt, wobei die gegenseitige räumliche Zuordnung der Hebevorrichtungen am Tablett der mittleren Verteilung der Zitzen in der X-Y-Ebene entspricht. In einem einzigen Schwenkvorgang unter die Kuh werden damit die Melkbecher nacheinander an die entsprechenden Zitzen angesetzt. Damit ist eine deutliche Zeitersparnis verbunden.

Eine weitere Ausführungsform eines Melkbechermoduls zum automatischen Melken von in einer Melkbox stehenden Milchkühen ist dadurch gekennzeichnet, daß

• - die einzelnen Melkbecher in einer Reihe aufgereiht zwischen parallelen Schienen angeordnet sind, die zwischen sich ein Schiebemagazin ausbilden,
• - die Melkbecher in dem Magazin zu einer Hubposition verschiebbar sind, in der sich eine Hubvorrichtung befindet,
• - jeweils der in der Hubposition befindliche Melkbecher von der Hubvorrichtung an jeweils eine Zitze durch Anheben ansetzbar ist.

Dieser Melkbechermodul ist sehr kleinbauend. Mit ihm werden die Melkbecher zwar einzeln angesetzt; der nächstfolgende Melkbecher schiebt sich aber nach dem Herausheben des zuvor gehandhabten Melkbechers sofort nach, so daß sich der nächstfolgende Ansetzvorgang sofort und ohne Zeitverlust anschließen kann.

Sollte es gewünscht sein, die Hebebewegung in der Z-Richtung aus dem Roboterarm heraus vorzunehmen, dann kann dies nach einer weiteren Ausgestaltung des Melkbechermoduls zum automatischen Melken von in einer Melkbox stehenden Milchkühen dadurch vorgenommen werden, daß

• - der Modul ein Tablett aufweist, das mit vier Aufnahmen für Melkbecher versehen ist, in denen je ein Melkbecher lösbar absetzbar ist,
• - der Arm des Roboters die auf dem Tablett abgesetzten Melkbecher nacheinander in ihre Ist-Zitzenpositionen fährt, aus denen heraus der Roboterarm dann jeweils einen rechnergesteuert positionierten Melkbecher zum Ansetzen an die Zitze anhebt,
• - der Roboterarm das Tablett nach jedem Ansetzen absenkt, wonach der Roboterarm einen anderen Melkbecher rechnergesteuert unter eine andere Zitze in deren Ist-Zitzenposition fährt, bis sich das Tablett nach dem Ansetzen aller Melkbecher allein unter den Melkbechern absenkt.

Dieser Ansetzvorgang ist damit gekennzeichnet durch einen Schwenkvorgang unter die Kuh und viermaliges Positionieren für jeden Becher, wobei jeder Becher durch die entsprechende Hubvorrichtung angesetzt wird. Der Vorteil dieses Moduls besteht darin, daß die Becher frei am Euter haften und das Modul während des Melkens am Boden verharrt.

Für alle Melkbechermodule mit lösbar aufgesetzten Melkbechern ist nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Melkbecher nach dem Abschluß des Melkvorganges auf das abgesenkte Tablett oder Modul zurückgezogen werden.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Melkbox in Draufsicht mit Sensoren zur Ausmessung von Bewegungen einer in der Melkbox stehenden Kuh,

Fig. 2 ein Schaubild zur Darstellung einer Zwischenposition und von Zitzenstartpositionen, die nach einem Ausmessen für jede Kuh in einem Datenspeicher abgespeichert sind und abgerufen werden, wenn die Kuh die Melkbox betritt, wobei die Positionen mittels der an der Melkbox vorgesehenen Sensoren bei jedem erneuten Betreten der Melkbox durch die Kuh aktualisiert werden,

Fig. 3a und 3b eine Zitzenortungsanordnung mit Sensoren zur Ortung und dem Anfahren der Ist-Stellung der Zitzen, ausgehend von den Zitzenstartpositionen und der ausgemessenen und gespeicherten Sollstellung der Zitzen,

Fig. 3c und 3d eine Vorrichtung, die mit Hilfe einer Bildverarbeitung die Ortung und das Anfahren der Zitzen besorgt,

Fig. 4a eine Seitenansicht eines Melkroboters mit einem Roboterarm, der an seinem freien Ende Melkbecher trägt,

Fig. 4b eine Draufsicht auf den Melkroboter mit einer Melkbox, wobei ein Roboternebenarm einen einzelnen Melkbecher führt,

Fig. 5a einen Melkbechermodul mit einer Gruppe von vier höhenverfahrbaren und abnehmbaren Melkbechern, dessen auf jeden Melkbecher getrennt arbeitende Hebevorrichtungen sich unmittelbar an einer oberen Platte des Moduls abstützten, wobei die Melkbecher am Modul im Viereck angeordnet sind,

Fig. 5b einen Melkbechermodul mit einer Gruppe von vier höhenverfahrbaren Melkbechern, dessen auf jeden Melkbecher getrennt arbeitende Hebevorrichtungen sich über einen aufblasbaren gummielastischen Ring an der oberen Platte des Moduls abstützen, wobei der Modul mit im Viereck angeordneten Melkbechern versehen ist.

Fig. 5c eine Seitenansicht eines Melkbechermoduls mit auf einer Schiene verschieblich hintereinander angeordneten Reihe von Melkbechern,

Fig. 5d eine Draufsicht auf den Melkroboter neben einer Melkbox, wobei der Roboternebenarm einen Modul mit einer Gruppe von Melkbechern führt, die im Einzelansetzverfahren an die Iststellungen der einzelnen Zitzen herangefahren und an diese angesetzt werden.

Eine in Fig. 1 dargestellte Melkbox 1 zum Melken von Kühen weist einen Boxboden 3 und Boxwände 5 auf. Das Tier soll sich in der Melkbox 1 wohl und nicht eingedrängt fühlen; es wird deshalb von den Boxwänden 5 nur so viel wie nötig eingeengt. Dies bedingt, daß die Abmessungen der Melkbox 1 an die Größe des Tieres anpaßbar sein sollen. Die Melkbox 1 hat entsprechend diesen Vorgaben eine feststehende Seitenwand 5a, die vom Heck der Kuh bis zu ihrem Kopf reicht. Im Kopfbereich befindet sich ein Kraftfuttertrog 7 mit einer verstellbaren Frontbegrenzung 9. An der Frontbegrenzung 9 ist eine Identifizierungsvorrichtung 11 angeordnet, mit der die Identität der einzelnen Kuh erkannt wird. Gegenüber der feststehenden Seitenwand 5a befindet sich ein ihr gegenüber verstellbarer Türpfosten 5b. Beiderseits des Türpfostens 5b sind eine Eingangstür 5g und eine Ausgangstür 5d vorgesehen. Die Eingangstür ist an einem verstellbaren Anschlag 5e einer Boxrückwand 5f drehbar gelagert. Für die Ausgangstür 5c ist am Kraftfuttertrog ein Drehgelenk 5h angeordnet. Die Türbewegungen lassen sich mittels Stellzylindern 13 hydraulisch oder pneumatisch verstellen. Gegebenenfalls läßt sich die hintere Boxenbrüstung 5f zusammen mit den Sensoren 17d und 17c den jeweiligen Längenmaßen der Tiere durch pneumatisches oder hydraulisches Verstellen anpassen. Die Längenmaße sind einmalig für jedes Tier in den Datenspeicher eingelernt und in ihm abgespeichert. Dabei sollte das Tier aber nie eingezwängt werden. Es sollte sein Freiraum lediglich minimiert werden, um den Ansetzvorgang zu erleichtern.

Der Boxinnenraum 15 ist vornehmlich weich gestaltet, indem alle Boxprofile (Rundungen, Rundbögen und Kreissegmente) der Kuhform organisch angepaßt und gegebenenfalls mit weichen Materialien (Luftkissen,Gummi) abgedeckt sind.

Das Euter muß beim Melkvorgang frei sein von den Hinterbeinen, damit günstige Zitzenortungs-, Nachfahr- und Ansetzbedingungen gegeben sind. Die Zitzen sollen vor allem nicht an den Beininnenflächen anliegen. Der Melkboxboden 3 ist deshalb so gestaltet, daß der Boxboden hinten tiefer liegt als der vordere Boxboden.

An der Melkbox 1 sind Sensoren 17a-d vorgesehen, die zu einem globalen Raummeßsystem 17 gehören und mit denen sich das Bewegungsverhalten des in der Melkbox 1 befindlichen Tieres berührungslos überwachen läßt. Ein Sensor 17a befindet sich im Bereich des Futtertroges und mißt seinen Abstand zum Kopf der Kuh. Der ermittelte Abstand ist ein Indiz dafür, ob die Kuh gerade frißt oder nicht. Ein weiterer Sensor 17b ist an der feststehenden Seitenwand 5a angeordnet und auf den Körper der Kuh etwa in dem Längsbereich des Kuhkörpers gerichtet, in dem sich das Euter befindet. Der Sensor 17b mißt den Abstand zwischen sich und dem Kuhkörper an seiner Längsseite. Zwei weitere Sensoren 17c und 17d befinden sich an der Boxrückwand 5f etwa auf gleicher Höhe und in einem Abstand, der etwa dem mittleren Abstand der hinteren Kuhschenkel entspricht. Diese Sensoren 17c und 17d sind auf das Heck der Kuh gerichtet. Zwischen ihnen ist der Kuhschwanz beweglich; er kann, wenn er sich bewegt, immer nur bei einem der beiden Sensoren 17c, 17d die Messung verfälschen. Richtig ist immer der Meßwert, der ohne Beeinträchtigung durch den Schwanz erhalten wird. Maßgebend ist der Meßwert, der den größeren Abstand abgibt.

Die Sensoren 17a-d können auf Ultraschall-, Infrarot- oder Laserscannerbasis arbeiten. Alle Sensoren 17a-d messen mit ihren Meßstrahlen oder Meßkeulen im zeitlichen Abstand von 40 bis 60 ms, vorzugsweise 50 ms den momentanen Abstand zwischen sich und den beaufschlagten Körperteilen der Kuh. Die zwischen jeweils zwei Messungen ermittelte Entfernungsdifferenz spiegelt das Bewegungsverhalten der Kuh wieder. Dieses Bewegungsverhalten wird in drei Klassen eingeteilt:
wenig Bewegung, lebhafte Bewegung, wilde Bewegung. Messen die Sensoren 17a-d wenig oder lebhafte Bewegung, d. h. die Kuh verhält sich ruhig, dann kann der Ansetzvorgang der Melkbecher vorgenommen werden. Bewegt sich die Kuh jedoch wild, d. h. sie ist aktiv, dann wird der Ansetzvorgang nicht begonnen oder unterbrochen. Die Auswertung der Meßergebnisse der Sensoren 17a bis 17d wird später im Rahmen der Tierverhaltens-Routine näher beschrieben.

Fig. 2 zeigt eine Prinzipdarstellung der Ansetzwege für die Melkbecher. Der Einfachheit wegen ist nur ein Melkbecher 21 an einem Ende 23 eines Roboterarmes 25 dargestellt. Der Roboterarm wird von einem in Fig. 4a und 4b dargestellten Roboter 27 bewegt.

Der Roboterarm 25 stellt für jede Kuh unterschiedliche, dem Datenspeicher und Rechner 31 des Roboters 27 gelernte und von Positionier- und/oder externen Robotersensoren S1 bis S6 in Echtzeit aktualisierte Positionen in einem X-Y-Koordinatensystem in einer horizontalen Ebene 29 ein. Die Robotersensoren S1 bis S6 gehören zu einer Zitzenortungsanordnung, die noch näher beschrieben wird. Alle angefahrenen Positionen sind als Weglängen in dem Datenspeicher 31 des Roboters 27 abgespeichert. Dieser Einlernvorgang wird von Hand durchgeführt. Befindet sich eine Kuh mit Kennummer oder Kennamen in der Melkbox 1, dann wird der Melkbecher 21 von Hand der Reihe nach zu den einzelnen, augenblicklichen Zitzenpositionen verfahren. Immer, wenn sich der entsprechende Melkbecher genau unterhalb einer ihrer Zitzen 1 bis 4 befindet, wird diese tierspezifische Zitzenposition in X-Y-Koordinaten im Datenspeicher 31 abgespeichert. Dabei werden die Werte der internen Robotersensoren (die die angegebenen X-Y-Positionen der gerade angefahrenen Zitze zum Bezugskoordinatensystem liefern) gleichgesetzt mit den Werten der Positionssensoren, woraus sich dann die tierspezifischen, zunächst unbekannten Längenmaße der einzelnen Zitzenpositionen zum Bezugskoordinatensystem errechnen lassen. Aus den kuhspezifischen Zitzenpositionen werden eine kuhspezifische Zwischenposition ZWP1 und kuhspezifische Zitzenstartpositionen ZPR und ZPL errechnet. Die Zwischenposition ZP1 liegt zwischen den Vorderzitzen 200 mm in Richtung auf den Kopf der Kuh. Die Zitzenstartposition ZPR befindet sich etwa 100 mm rechts von der vorderen rechten Zitze 4 entfernt. Die Zitzenposition ZPL befindet sich 100 mm links von der linken Zitze 3 entfernt. Nach diesem Einlernvorgang und dem Berechnen der Zwischenposition ZP1 sowie der Zitzenstartpositionen SPL, SPR weiß der Roboter 27, wenn eine Kuh beispielsweise mit dem Namen Lisa die Melkbox 1 betreten hat, wo sich bei Lisa die Zwischenposition ZWP1, die Zitzenstartpositionen ZPR und ZPL und die Zitzen befinden. Der Roboterarm 25 fährt dann ohne neue Vermessung, gesteuert von dem Datenspeicher 31 in kurzer Zeit die Zitzen-Positionen an. Die Ansetzreihenfolge an die Zitzen 1 bis 4 ist wie folgt festgelegt: Hinten links (HL1), hinten rechts (HL2), vorn links (VL3), vorn rechts (VL4).

Steht eine Kuh in der Melkbox 1, dann werden entsprechend der im Datenspeicher 31 festgelegten Werte dieser Kuh die Positionen ZWP1, ZPR und ZP1 angefahren. Der Roboterarm 25 fährt den Melkbecher 21 über die abgerufene Position ZWP1 zur Position ZPL. Voraussetzung der Bewegung des Roboterarmes ist es, daß die Positionssensoren 17a-d beim Abfragen der Bewegungsaktivität Ruhe melden, also wenig oder lebhafte Bewegung. Würden die Sensoren 17a-d aktive Bewegung, also wildes Verhalten melden, dann würde der Roboterarm 25 nicht verfahren oder das Verfahren unterbrechen.

Hat der Melkbecher 21 über die Position ZWP1 die Zitzenstartposition SPL und die jeweilige Zitzen-Soll­ position erreicht, dann wird zur jeweiligen Ist-Korrektur eine von mehreren denkbaren Zitzenortungsanordnungen wirksam.

Fig 3a zeigt eine Zitzenortungsanordnung A, die nach der Meßstrahlmethode arbeitet. Die Beschreibung stützt sich dabei auf einen Roboter 27, der mit seinem Arm 25, bzw. seinem Nebenarm 25c einzelne Melkbecher 21 setzt.

Die Zitzenortungsanordnung wird von einem Roboterarm 25 getragen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel trägt der Roboterarm 25 seinerseits einen Nebenarm 25c für einen einzelnen Melkbecher 21, der an eine Zitze angesetzt werden soll. Weiterhin trägt der Roboterarm 25 beispielsweise mit Ultraschall oder Infrarot arbeitende Sensoren S1 bis S6. Diese Sensoren befinden sich auf einem quer zum Nebenarm 25c an diesem angeordneten Meßarm 25d. Die als erste Sensoren bezeichneten Sensoren S2 und S3 sind im gleichen Abstand vom Nebenarm angeordnet und schließen jeder mit einer Parallelen zum Nebenarm einen Winkel von 60° gegeneinander ein und sind um 15° nach oben gerichtet; ihre Meßstrahlen d2 und d3 haben eine gewisse Streuung und schneiden sich in einem imaginären Meßkreis 36c mit dem Soll-Schnittpunkt 36a. Der Meßkreis 36c mit dem Soll-Schnittpunkt 36a befindet sich oberhalb des Meßbechermittelpunktes und unterhalb der Zitzen. Der ebenfalls divergierende Meßstrahl eines als zweiter Sensor bezeichneten Sensors S1 ist in Richtung des Nebenarmes 25c auf den Meßkreis 36c und den Schnittpunkt 36a der Meßstrahlen d2, d3 der Sensoren S2 und S3 gerichtet. Dieser Soll-Schnittpunkt ist zugleich der vom Rechner angesteuerte Soll-Melkbechermittelpunkt 36a. Unterhalb der Sensoren S2 und S3 befinden sich als weitere erste Sensoren bezeichnete Sensoren S5 und S6, deren Meßstrahlen d4 wie die Meßstrahlen d2, d3 um 30° gegenüber Parallelen zum Nebenarm 25c gegeneinander und zusätzlich um 40° nach oben gerichtet sind, auf den Meßkreis 36c und den Schnittpunkt 36a der Meßstrahlen aller Sensoren S1 bis S6 oberhalb des Melkbechers 21. Die Sensoren S5 und S6 werden immer dann eingesetzt, wenn die Vorderzitzen beim Arbeiten an den hinteren Zitzen stören.

Befindet sich die angesteuerte Zitze im Punkt 36b, dem Soll-Mittelpunkt der Zitze, innerhalb des Meßkreises 36c, dann tastet sich der Roboterarm 25 mit dem Melkbecher 21 unterhalb des Bauches und der Zitzen der Kuh immer abwechselnd um Wege dx und dy in der X-Richtung und der Y-Richtung des Koordinatensystems vom Soll-Mittelpunkt 36a zum Ist-Mittelpunkt 36b des Melkbechers 21 an die Zitze, die zu erreichen ist, heran. Eine Fernseh-Kamera CCD überwacht die Annäherung.

Im Rahmen des Ortungs- und Nachführvorganges der Zitzenortungsanordnung gibt es zwei tierspezifische Startpositionen zum Suchen der Vorderzitzen. Um z. B. die linke Vorderzitze zu suchen, verfährt der Roboter mit der Y-Achse, beginnend vom Startpunkt links (SPL, etwa 100 mm links von der linken Vorderzitze auf der gleichen X-Y-Ebene) nach rechts. Dabei Scannen die drei auf dem Roboterarm 25 angeordneten Ultraschallsensoren S1 bis S3 alle 50 ms die Szene ab. Der Rechner wertet die von den Ultraschallsensoren S1, S2 und S3 ermittelten Meßwerte aus und sucht nach drei speziellen Bedingungen, um die gesuchte Zitze zu finden.
Bedingung 1: Sind alle gemessenen Strecken und Differenzen größer gleich Null?
Bedingung 2: Sind die Differenzen der von dem Sensor S2 und dem Sensor S3 gemessenen Strecken (o) und die Differenzen der von dem Sensor S2 und dem Sensor S1 gemessenen Strecken (u) < = 30 mm.
Bedingung 3a: Wird die Zitze vorne links gesucht und ist o < u, dann ist Zitze vorn links gefunden.
Bedingung 3b: Wird die Zitze vorne rechts gesucht und ist u < o, dann Zitze vorne rechts gefunden.

Fig. 3a zeigt die Zitzenortungsanordnung mit den Sensoren S1 bis S6 unter der Kuh, die während des Scannens die Meßwerte d1, d2 und d3 sowie die daraus errechneten Differenzen o und u ermittelt. Dabei ist zu beachten, daß der Roboter 27 beim Suchen der Zitze vl von links nach rechts verfährt und beim Suchen der Zitze vr von rechts nach links verfährt.

Entscheidend für den Sucherfolg ist:

• - Die Zitzenhöhe muß bis auf ± 1/3 der Zitzenlänge bekannt sein, ansonsten besteht die Gefahr, daß die Zitze nicht in den Meßkegel der Ultraschallsensoren eintaucht (Zitze zu hoch) oder die Euterbasis verfälscht die Messung (Zitze zu tief). Ist das der Fall, so sollte die Zitzenhöhe neu vermessen werden. Dazu dient eine Höhenroutine, die davon ausgeht, daß Die Tiere etwa drei- bis fünfmal pro Tag gemolken werden. Durch dieses relativ häufige Melken schwankt die Zitzenhöhe zwischen den Melkzeiten nur sehr wenig. Allerdings kann die Zitzenhöhe während der Laktation driften. Deswegen wird vor jedem Ansetzvorgang die Zitzenhöhe neu vermessen und nachkorrigiert. Der Roboter verfährt so, daß sich die Zitze in dem imaginären Meßkreis befindet, zentriert sich und fährt den Melkbecher 21 gleichzeitig nach unten. In dem Augenblick, in dem die Zitze oben aus dem Meßkreis heraustaucht, wird der Roboter gestoppt. Diese mittels interner Robotersensoren abgelesene Höhe gibt einen definierten, reproduzierbaren Offset zwischen Melkbecher 21 und Zitze wieder. Die Höhenmessung ist nun erfolgreich, wenn die Sensoren 17a-d melden, daß sich das Tier ruhig verhält. Wenn diese Meldung nicht erfolgt, dann wird der Vorgang wiederholt.
• - Die Startposition sollte mittels des einmaligen Einlernvorganges und der Benutzung der globalen Positionssensoren bis auf ± 40 mm genau sein. Ist die sich quer zur Kuh bewegende Y-Achse mit den drei Ultraschallsensoren S1, S2, S3 zu weit vor der Vorderzitze, dann besteht die Gefahr, daß die Euterbasis anstatt der zu suchenden Zitze als Schallreflektor dient. Wird zu weit hinter der Zitze gescannt, dann taucht diese gar nicht in den Meßkegel von etwa 10 Winkelgraden ein, und das zu suchende Objekt wird ebenfalls nicht gefunden.
• - Notwendig ist die richtige Verfahrgeschwindigkeit der Y-Achse während des Suchvorganges. Ist die Verfahrgeschwindigkeit der Y-Achse zu gering, dann dauert der Suchvorgang zu lange. Ist die Scanngeschwindigkeit zu groß, dann besteht die Gefahr, daß eine zu suchende Bedingung nicht gefunden wird.
• - Während des Suchvorganges muß das Tierverhalten parallel ermittelt werden, um den Suchvorgang gegebenenfalls abzubrechen. Man muß warten, bis sich ein zu lebhaftes Tier beruhigt hat. Nachdem nach der Beruhigung des Tieres die Tierposition nachkorrigiert wurde, kann der Scann- und Suchvorgang fortgesetzt oder wiederholt werden.

Während des Arbeitens der Zitzenortungsanordnung arbeitet die Tierverhaltensroutine. Der Datenspeicher und -rechner 31 überprüft ständig das Tierverhalten. Da der Roboter aufgrund der mitunter hohen Schlagkräfte der Tiere sehr stabil ausgelegt sein muß, was relativ hohe Massen zur Folge hat, verbietet es sich, einer sich stark bewegenden Kuh in Echtzeit zu folgen.

Alle 50 ms wird die aktuelle Kuhposition mittels der an der Melkbox angeordneten Positionssensoren 17a bis 17c ermittelt und mit der nach der letzten Tierbewegung abgespeicherten Kuhposition verglichen. Ist die Differenz größer als ein einstellbares Minium z. B. 40 mm, so wird eine zweite Bedingung, die aktuelle Tierbewegungsgeschwindigkeit (TBv) abgefragt. Ist diese größer als (eine einstellbare Größe) 6 cm/sec, wird der Roboter gestoppt und so lange gewartet, bis TBv < 6 cm/sec ist. Danach wird die anfänglich abgespeicherte Kuhposition mit der augenblicklichen Position verglichen. Der Roboter verfährt diesen Offset und startet wieder bzw. fährt an der Stelle im Programm fort, an welcher dieser durch die zu große Kuhaktivität gestoppt wurde.

Hat der Melkbecher die gespeicherte Zitzenposition erreicht, dann setzt das Zentrieren von der rechnergesteuert angefahrenen Soll-Position des Melkbechers (Sollmittelpunkt 36a) zur mittels der Sensoranordnung ermittelten Ist-Position (Istmittelpunkt 36b) der Zitze ein. Die Zitzenortungsanordnung wird immer dann zum Betrieb aufgerufen und benutzt, wenn die Zitze in der Nähe des Melkbechermittelpunktes ist.

Das heißt

• - erstens: nach erfolgreich abgeschlossenem Suchvorgang,
• - zweitens: nachdem von der Vorderzitze zur Hinterzitze verfahren wurde,
• - drittens: während der Messung der Zitzenhöhe und
• - viertens: vor dem Hub- oder Ansetzvorgang.

Mittels der auf der Y-Achse montierten Ultraschallsensoren 55 und und einer Rechenvorschrift werden die X- und Y-Abweichungen des Melkbechermittelpunktes 36a vom Zitzenmittelpunkt 36b ermittelt und dem Roboter als Führungsgrößen übermittelt. Entsprechend dieser Führungsgrößen werden für die X- und Y-Achse die notwendigen Verfahrbefehle, wie Start, Stop und Verfahrgeschwindigkeit ermittelt und ausgeführt. Sind die Abweichungen in X- und Y-Richtung kleiner als ein einstellbares Minimum z. B. 3 mm, ist der Zentriervorgang erfolgreich abgeschlossen.

Der gesamte Ansetzvorgang setzt sich aus vier einzelnen Ansetzvorgängen zusammen. Die Ansetzreihenfolge ist wie folgt definiert:
Melkbecher 1 an Zitze hinten links (hl),
Melkbecher 2 an Zitze hinten rechts (hr),
Melkbecher 3 an Zitze vorne links (vl),
Melkbecher 4 an Zitze vorne rechts (vr).

Die hinteren Melkbecher 1 und 2 werden jeweils unter Benutzung der vorderen Zitzen angesetzt. Die vorderen Zitzen sind relativ leicht automatisch und mit einer Erfolgsrate von 100% zu finden; von dort aus wird dann jeweils die hintere Zitze angesteuert.

Der Ansetzvorgang eines später erläuterten Melkbechermoduls 89 (Fig. 5c) mit Melkbechern 21/1 bis 21/4 sieht wie folgt aus: Der Roboterarm 25 fährt mit dem Modul 89 am Nebenarm 25c und den Melkbechern 21/1 bis 21/4 unter die Kuh zur Zwischenposition ZWPS und von dort zu der jeweiligen Startposition ZPL oder ZPR. Zunächst wird die Zitze 3 (vorne links) sonden- und rechnergesteuert mit einer Suchroutine gesucht, kurz mittels der Zitzenortungsanordnung sonden- und rechnergesteuert zentriert und dann mittels der zuvor einmalig eingelernten tierspezifischen Zitzenpositionen und den daraus errechneten Offsets von der Vorderzitze 3 zur Hinterzitze 1 verfahren. Nun wird wieder die Zitzenortungsanordnung benutzt und anschließend der Melkbecher 21/1 von einer Hebevorrichtung 93 zum Ansetzen angehoben. Das Ansetzen von Melkbecher 21/2 an Zitze 2 hinten rechts wird entsprechend über die Vorderzitze 4 vorne rechts durchgeführt, nachdem der Melkbecher 21/2 im Modul 89 zu einer Hubposition mit der Hebevorrichtung 93 vorgeschoben wurde. Die Melkbecher 21/3 und 21/4 werden direkt an die vorderen Zitzen angesetzt, indem folgende als Routine bezeichnete Abläufe benutzt werden: Suchroutine, Zentrierroutine, Ansetzroutine. Die Suchroutine und die Ansetzroutine arbeiten sonden- und rechnergesteuert mit der Zitzenortungsanordnung. Übergreifend arbeitet während und parallel zu allen Ansetzvorgängen die Tierverhaltensroutine, mit der das Tierverhalten ständig überwacht wird. Verhält sich das jeweilige Tier stark unruhig bis wild, stoppt der Roboter 27, wartet so lange, bis das Tier wieder ruhig bis wenig unruhig ist, korrigiert die Roboterposition entsprechend der Tierposition und führt mit der gleichen Routine wie vor dem Stoppvorgang und von der gleichen Position an relativ zur Kuh den Ansetzvorgang fort. Der Modul 81 ist in seiner Ausgestaltung nur als beispielhaft zu betrachten.

Die Ortung der Zitzenpositionen kann beispielsweise auch mittels eines Bildverarbeitungsverfahrens erfolgen nach der Zitzenortungsanordnung B.

Derartige optische Meßverfahren gewinnen in der Automatisierung aufgrund der ständig wachsenden Anforderungen an die Sensorik zunehmend an Bedeutung. Neben den häufig geforderten Positions- und Längenmessungen bieten sie zudem oft die Möglichkeit, Informationen über Farbe und Oberflächenbeschaffenheit der zu handhabenden Objekte zu liefern. Im Hinblick auf eine Verschmutzungs- und Gesundheitskontrolle des Kuheuters spielt daher ein optisches Meßverfahren, das zusätzlich für die Lokalisierung der Zitzenpositionen herangezogen werden kann, eine besondere Rolle. Es existiert eine Fülle von optischen Meßverfahren, deren Einsatz für einen Melkroboter aber problematisch ist, da sie sehr rechenintensiv sind, weil häufig ein Korrespondenzproblem gelöst werden muß. Bei sich in nicht vorhersehbarer Weise bewegenden Tieren scheiden diese bekannten Verfahren aus. Andere Verfahren, wie die Scannerverfahren, erfordern einen hohen feinmechanischen Aufwand, der den Beanspruchungen in der Landwirtschaft nicht gewachsen ist.

Beim Bildverarbeitungsverfahren wird entsprechend der Darstellung in Fig. 3c und 3d mit Hilfe einer am Nebenarm 25c angeordneten Laser-Lichtquelle 39, einer Infrarot-Licht­ diode mit 780 nm und mit 5 bis 40 mW optischer Ausgangsleistung, ein Lichtstrahl 39d erzeugt. In die Diode 39 ist in ein Kollimator eingebaut, in dem eine Zylinderlinse den Laserstrahl, der einen geringen Querschnitt besitzt, zu einer Ebene 39e aufweitet. Die Stromversorgung der Diode 39 läßt sich mit einem TTL-Signal mit einer Frequenz von max. 300 Hz ein- und ausschalten. Die Lichtebene 39e wird in den zu vermessenden Raum bzw. auf das zu vermessende Objekt, die Zitzen, projiziert. Trifft die Lichtebene 39e auf eine ebene Fläche im Raum, eine Zitze, so entsteht an den Schnittpunkten ein gerader Streckenabschnitt. Ist die Fläche an den Schnittpunkten gekrümmt, so entsteht entsprechend ein gekrümmter Streckenabschnitt. Das so entstandene Bild der Szene wird von einer Kamera CCD oder zwei Kameras CCD1 und CCD2 aufgenommen. Dabei gibt es die Möglichkeit, die Kamera CCD unter dem Roboterarm 25 und die Laserdiode 39 auf dem Roboterarm 25 anzuordnen (vergleichbar der Anordnung des Sensors S1 und der Videokamera CCD in Fig. 3a). Der Abstand von Kamera CCD und Laserdiode 39 ist eine feste geometrische Größe (150 mm), die für die Triangulierung notwendig ist. Eine andere Möglichkeit der Anordnung besteht darin, zwei Kameras CCD1 und CCD2 einzusetzen. Diese Kameras CCD1 und CCD2 können mit einem Abstand rechts und links beiderseits der Laserdiode 39 angeordnet sein, die mittig auf dem Nebenarm 25c vorgesehen ist. Die Kameras CCD1 und CCD2 befinden sich dabei auf dem Träger 25d, der quer zum Nebenarm 25c auf diesem Nebenarm 25c befestigt ist. Die Objektive der Kameras CCD1 und CCD2 sind gegeneinander zusammen um 56° geneigt (jedes Objektiv ist gegenüber Parallelen zur Strahllinie 39d um 28° verstellt).

Die Zitzenortungsanordnung B ist in Fig. 3c in Verbindung mit einem Melkbechermodul 61, 81 dargestellt, wie er später in Verbindung mit den Fig. 5a und 5b beschrieben ist. Fig. 3d zeigt den Meßaufbau. Der Melkmodul 61, 81 hat einen zentralen Mittelpunkt 36a1, um den sich im Abstand oder in der mittleren Verteilung der Zitzen eines Kuheuters in einer X-Y-Ebene Melkbecher 21 befinden.

Abweichend von der Ortung einzelner Zitzen, wie es in Verbindung mit Fig. 3a und 3b beschrieben ist, wird hier der zentrale Soll-Mittelpunkt 36a1 für das Ansetzen herangezogen. Dem Rechner wurde beim Ausmessen der Kuh nicht die einzelnen Zitzen eingelernt, sondern über das Ausmessen der Zitzen die Lage des zentralen Zitzenmittelpunktes. Der Rechner steuert nun den Roboterarm 25c, wie bereits beschrieben (Fig. 2), zum Zwischenpunkt ZWP1 und von dort entweder über einen der Zitzenstartpunkte SPR oder SPL oder unter Einsparung dieser Zitzenstartpunkte zum zentralen Zitzen-Mittelpunkt.

Die Zitzenortungsanordnung ist auf dem Roboterarm 25 bewußt auf dem Roboterarm angeordnet. Damit kann sie mit dem Roboter von Melkbox zu Melkbox mitfahren. Das hat den Vorteil, daß nur ein Zitzenortungssystem pro Roboter benötigt wird. Die Melkbecherhalterungen für einzelne Melkbecher oder für Module können unmittelbar vom Roboterarm 25 oder am Nebenarm 25c gehandhabt werden. Die Position der Zitzen kann mittels der einen Kamera CCD und des Laserstrahles 39d als monokulares Bild oder mittels der zwei Kameras CCD1 und CCD2 als Stereobild ausgewertet werden. Bei Stereobild werden die Ergebnisse der rechten mit dem Ergebnissen der linken Kamera verglichen, korrigiert oder ergänzt. Die Stereobild-Aus­ wertung erfordert im allgemeinen einen deutlichen Hardware-Aufwand. Deshalb ist die Monobild-Auswertung einfacher. Es können nur die Zitzen vermessen werden, die von der Lichtebene 39e des Lasers 39 geschnitten werden. Die Lichtebene 39e strahlt über den Melkbecher 21 oder den Modul hinweg; sie kann mittels des Roboters 27 in der Höhe verstellt werden. Um die Melkbecher 21 anzusetzen, verfährt der Roboterarm 25 unter der Kuh zum tierindividuellen Zwischenpunkt ZWP1. Von dort aus ist das gesamte Euter im Blickfeld der Kameras CCD oder CCD1 und CCD2, während die von der Laserdiode 39 erzeugte Lichtebene 39e die gesuchte Zitze schneidet. Setzt man die Lage der Lichtebene 39e mit der Position der Schnittpunkte (Lichtebene 39a-Zitze), die mittels der Kameras CCD1 und CCD2 aufgenommen werden, in Beziehung mit den Positionen der Kameras CCD1 und CCD2, so kann die Position der Zitze in der Ebene, bzw. im Raum mittels Triangulation bestimmt werden.

Das Prinzipschaltbild nach Fig. 3d zeigt, daß die Kameras CCD1 und CCD2 über Bildverarbeitungskarten BV1 und BV2 und Videowandler CPV mit dem Datenspeicher- und rechner 27 verbunden sind. Dabei kann das Bild perspektivisch verzerrt werden. Die Bildauswertung wird in erster Linie anhand der im Bild auftretenden Grauwerte durchgeführt, d. h. es wird nach Grauwerten gesucht, die durch die Laserstrahlung hervorgerufen werden, also einen bestimmten Schwellwert überschreiten.

Zwei unmittelbar nacheinander aufgenommene Bilder werden voneinander subtrahiert. Die beiden Bilder unterscheiden sich lediglich dadurch, daß das eine Bild mit eingeschaltetem Laserlicht aufgenommen wurde, das andere bei abgeschaltetem Laserlicht, also ohne Laserlicht. Durch die pixelweise Substraktion erhält man ein vom Umgebungslicht unabhängiges Bild der Szene und damit alle Schnittpunkte der Laserlichtebene 39a mit der oder den Zitzen.

Die Bildaufnahme geschieht mit Hilfe von Videokameras CCD oder CCD1 und CCD2 mit abgesetzten Aufnehmern. Die abgesetzten Aufnehmer gestatten aufgrund ihrer minimalen Maße und Gewichte eine Befestigung in unmittelbarer Greifernähe auf dem Roboterarm 25 bzw. dem Träger 25d des Nebenarmes 25c.

Zur Bildverarbeitung werden PC-Einsteckkarten BV1 und BV2 verwendet, die mit einem 8-Bit-Video-A/D-Wandler CPV und einem mindestens 384 kB großen Bildspeicher ausgestattet sind. Des weiteren kann auf das digitalisierte Bild eine 4096-zeilige Tabellenoperation (LUT) angewendet werden. Durch einen sogenannten feedback-channel sind einige Standard-Bildoperationen innerhalb eines Bildzyklus möglich. Die Karte steckt im Rechner 27, zu dem ein erweiterter Prozessor und ein mathematischer Coprozessor gehören.

Die Orientierung der Kameras CCD1 und CCD2 ergibt sich einerseits aus dem abzudeckenden Meßraum und andererseits aus der Forderung nach geringer Bauhöhe. Das Blickfeld ist so ausgerichtet, daß sowohl das ganze Euter aus größerer Entfernung als auch eine einzelne Zitze unmittelbar vor dem Ansetzen erfaßt werden können. Der für die Genauigkeit der Ortsmessung (Triangulation) erforderliche Abstand der Lichtebene 39a zu der Achse der Kamera CCD (Fig. 3a) oder den Kameraachsen z1, z2 (Fig. 3c) wird entweder durch die Position der Laserdiode 39 über der einen Kamera CCD oder über die Position der Laserdiode 39 neben den Kameras CCD1 und CCD2 (Fig. 3c und 3d) realisiert.

Zur Ermittlung der Schnittpunkte (Laserlicht-Zitze), im folgenden als Objekte bezeichnet, wird das digitalisierte Bild spaltenweise nach den Objekten durchsucht. Die Objekte sind durch Grauwerte gekennzeichnet, die den oben genannten Schwellwert überschreiten. Sobald ein entsprechender Objektpunkt gefunden wurde, wird entlang der Schwellwertgrenze die Kontur des Objektes im Uhrzeigersinn verfolgt. Nach jedem Schritt, der einen Pixelabstand beträgt, wird über 5 Variable die Änderung der x-/y-Koordinate (Fig. 3d), die der x-/y-Momente und die der Fläche entsprechend der nachfolgenden Tabelle summiert. Die Konturverfolgung wird abgebrochen, sobald der Ausgangspunkt wieder erreicht ist. Aus den sich ergebenden Summen kann nun der Schwerpunkt der Objektfläche berechnet werden, der die Bildposition des Objektes repräsentiert. Per Triangulation kann daraus nun wiederum die Gegenstandsposition des Objektes bezüglich des Kamerakoordinatensystems ermittelt werden.

Für die Positionsbestimmung eines Oberflächenpunktes (x, y, z) einer Zitze per Triangulation müssen mindestens folgende Größen berücksichtigt werden:
f Brennweite der Kamera,
d Abstand der Lichtebene von der Kamera bezüglich der y-Achse des Kamerakoordinatensystems,
xb, yb Position des zu (x, y, z) gehörenden Bildpunktes sowie
lnz, lnx Neigungen der Lichtebene bezüglich der z- bzw. x-Achse des Kamerakoordinatensystems normiert mit f muß bekannt sein, wobei lnx in der Regel ungefähr Null sein sollte.

Unter dieser Voraussetzung ergibt sich ein Schnittpunkt (x, y, z) (Lichtebene-Zitze, zuvor als Objekt bezeichnet, aus der Position (x, y, z) auf dem Bild der CCD-Kamera zu:
x = lambda * xb,
y = lambda * yb, und
z = f * (1-lambda) mit
lambda = d/(yb-lnz+xb * lnx/f).

Mittels einer homogenen Koordinatentransformation kann anschließend die Objektposition ins X-Y-Koordinatensystem des Roboters 27 transformiert werden.

In der praktischen Anwendung zeigt sich, daß sich im Kamerabild nicht nur die zu vermessenden Zitzen befinden können. Aus der Vielzahl der gefundenen Objekte müssen also diejenigen herausgesucht werden, die die Zitzenabbildungen darstellen. Zur Unterscheidung und schrittweisen Reduktion der möglichen Objekte werden einige möglichst schnell überprüfbare Merkmale herangezogen:

1. Merkmal Größe

Es kommen nur Objekte in Betracht, deren Breite in einem zulässigen Intervall liegt, d. h. "das Objekt muß in den Melkbecher passen". Maßgebend für die Objektgröße kann entweder die Fläche oder die x-Ausdehnung herangezogen werden. In beiden Fällen ist jedoch die Gegenstandsweite (Triangulation) zu berücksichtigen.

2. Merkmal Position

Es kommen nur Objekte in Betracht, deren Position in einem zulässigen Raum liegt, d. h. "die Objekte müssen sich etwa im hinteren Bereich der Melkbox auf halber Höhe befinden". Maßgebend ist hier natürlich die triangulierte Raumposition.

3. Merkmal Modell

Es kommen nur Objekte in Betracht, die sich in einer bestimmten Lage zu anderen Objekten befinden, d. h. "die Objekte müssen etwa ein gleichschenkliges Trapez aufspannen". Diese Überprüfung wird beispielsweise durchgeführt, indem die Raumpositionen mit den bei einer vorangehenden Melkung ermittelten Zitzenpositionen verglichen werden.

Mit einer Kamerabrennweite f = 8,5 mm und einem Lichtebenenabstand d = 23 cm läßt sich ein Meßbereich von 250 mm bis über 8000 mm einstellen. Im Bereich bis 700 mm nimmt dann die Auflösung der z-Koordinate von 0,5 mm bis etwa 2 mm bei einer minimalen Bildgröße des Objektes von mindestens 1 Pixel hyperbolisch zu. Da zur Bestimmung der Objektposition der Schwerpunkt herangezogen wird, läßt sich die Objektposition deutlich genauer bestimmen und damit die Auflösung noch verbessern. Im geforderten Meßbereich ist damit eine Genauigkeit von ± 1 mm auf jeden Fall gewährleistet. Die Genauigkeit nimmt also mit abnehmender Entfernung zu, was sich gerade beim Heranfahren des Roboters an die Euterposition positiv auswirkt. Darüber hinaus verkürzt sich dann aufgrund des gewählten Auswertalgorithmus zusätzlich die Rechenzeit und ermöglicht so eine höhere Meßfrequenz.

Die Wiederholungsrate der Messungen hängt wesentlich von einem optimierten Programmablauf ab. Unter den günstigsten Umständen (keine Bewegung in der Szene, nur eine Zitzenposition wird überwacht) sind bis zu 20 Messungen/s möglich. Im ungünstigsten Fall werden jedoch gerade 4 Messungen/s erreicht. Die Variation ergibt sich im wesentlichen aus der Verteilung der Objektgrößen und der Objektpositionen. In der Regel können etwa 10 Messungen/s erreicht werden.

Zwischen allen Meßwerten der Sensoren wird paarweise trianguliert. Sobald die Triangulierergebnisse in einer bestimmten Beziehung zueinander stehen ist die Zitzenposition gefunden. Die Bewegung des Roboterarmes wird in diesem Punkt gestoppt.

Das Verfahren zum automatischen Melken kann sich selbstverständlich auch anderer geeigneter Zitzenortungsanordnungen bedienen.

Fig. 4a zeigt den Melkroboter 27 in Seitenansicht. Der Melkroboter 27 ruht auf einem Gestell 41, das neben und/oder zwischen Melkboxen 1 verfahrbar ist. Damit kann ein Melkroboter mehrere Melkboxen bedienen. Das Gestell 41 trägt vertikale Stempel 43, auf denen eine Traverse 45 ruht. Die Stempel 43 führen einen Schlitten 47 mit zwei auf Abstand übereinander angeordneten, jedoch fest miteinander verbundenen Etagenplatten 47a, 47b. Seitlich des Schlittens 47 befindet sich ein erstes Drehgelenk 49 mit einer ersten vertikalen Drehgelenkachse 49a. Um diese Drehgelenkachse ist der Hauptarm 25a des Roboterarmes 25 schwenkbar. Am freischwenkenden Ende 25b des Hauptarmes 25a befindet sich ein zweites Drehgelenk 51 mit einer vertikalen Drehgelenkachse 51a. Um dieses Drehgelenk 51 ist ein Nebenarm 25c des Roboterarmes 25 schwenkbar, der an seinem freien Ende 23 einen einzelnen Melkbecher 21 tragen kann, wie Fig. 2 zeigt, oder einen Melkmodul mit vier Melkbechern 21.

Die Drehbewegungen des Hauptarmes 25a und des Nebenarmes 25c werden mittels Elektromotoren 53 und Riementrieben 55 vorgenommen. Der Elektromotor 53a treibt den Riementrieb 55a für das erste Drehgelenk 49. Der Elektromotor 53b treibt den Riementrieb 55b und weiter einen Riementrieb 55c für das zweite Drehgelenk 51.

Auf der Traverse 45 stehen pneumatische Zylinder 57 zum Heben und Senken des Schlittens 47 mit dem Roboterarm 25. Während der Roboterarm 25 von den Drehgelenken 49 und 51 in der horizontalen Bewegungsebene 29 in der X-Y-Richtung verschwenkt, bewegen die pneumatischen Zylinder 57 den Schlitten 47 und damit auch den Roboterarm 25 und den oder die Melkbecher 21 vertikal in der Z-Richtung.

Die Steuerung des Roboters erfolgt über den Datenspeicher und -rechner 31, der sowohl die Elektromotoren 53 als auch die pneumatischen Zylinder 57 ansteuert. Im Datenspeicher werden die ausgemessenen Daten und Meßwerte aller Sensoren und Meßwertgeber verarbeitet, aufbereitet und danach in Befehle umgewandelt zur Steuerung des Roboters 27 und der Melkbox 1 eingesetzt.

Fig. 4b zeigt den Roboter 27 in Draufsicht, wobei der Roboterarm 25 mit Hauptarm 25a und Nebenarm 25c in den Innenraum 15 der Melkbox 1 eingeschwenkt ist. Der Nebenarm 25c trägt im dargestellten Beispiel dabei einen Melkmodul 61 mit vier Melkbechern 21. Der Aufbau des Moduls kann von verschiedener Art sein.

In den Fig. 5a, 5b, 5c und 5d sind verschiedene Ausgestaltungen der Melkbechermodule dargestellt.

Fig. 5a zeigt den in Fig. 4b angedeuteten Melkmodul 61 in verschiedenen Schnitten, wobei zwei Melkbecher 21 erkennbar sind. Jeder der Melkbecher 21 ruht mit seinem Melkring 63 lose auf einem Hubring 65, der auf einem Melktablett 67 aufsitzt. Der Hubring 67 ist ein Teil eines Hubzylinders 69, mit dem der Hubring 65 aus dem Melktablett 67 herausfahrbar ist. An den Melkbechern 21 hängen Milch- und Vakuumschläuche 71. Unterhalb des Melktablettes 67 und auf Abstand parallel dazu erstreckt sich ein Bodentablett 73, das am Roboternebenarm 25c befestigt und außenseitig mit dem Melktablett 67 verbunden ist. Am Bodentablett 73 sind Reibräder 75 vorgesehen, mittels der die Schläuche 71 nach dem Melkvorgang oder, wenn ein Melkbecher abgeschlagen wurde, durch den Modul hindurchziehbar sind. Anstelle der Reibräder sind auch bowdenzuggetriebene Zugbänder einsetzbar, die mit den jeweiligen Vakuumschläuchen fest verbunden sind.

Die besondere Bedeutung des Aufbaues dieses Moduls ist darin zu sehen, daß der Modul, sobald die Melkbecher 21 nach dem Ansetzen an den Zitzen haften, abgesenkt wird und nur die Melkbecher 21 mit ihrem Gewicht die Zitzen belasten. Damit können die Melkbecher leicht den natürlichen Tierbewegungen folgen, ohne daß der Modul an den Tierkörper stößt. Die Tiere können damit nicht wild werden. Der Modul 61 ruht beim Melken unterhalb der Zitzen auf dem Roboterarm 25, an dem Nebenarm 25c oder einem nicht dargestellten Modulhaltearm, die auch das Herausschwenken nach dem Abnehmen der Melkbecher übernehmen können. Die Hubmechanik ist mittels Gummiaufhängungen 77 gegen Schläge der Kühe gesichert.

Bei diesem Melkbechermodul 61 werden alle Melkbecher 21 gleichzeitig angesetzt, weil der Modul 61 vor dem Ansetzen auf den Melkmodul-Mittelpunkt 36a1 ausgerichtet wurde. Nach dem Abschluß des Melkens werden die Melkbecher 21 in den Modul zurückgezogen.

Fig. 5b zeigt zum Teil in Seitenansicht und zum Teil im Schnitt eine Anwandlung des Melkmoduls nach Fig. 5a. Dieser Melkmodul 81 wird vom Roboterarm 25, dem Nebenarm 25c oder einem andersgearteten Modulhaltearm getragen und weist ein Tablett 67a auf. Auf dem Tablett 67a sind im Zitzenabstand verteilt Gummibalge 83 angeordnet. Auf den oberen Sitzflächen 84 der Gummibalge 83 sind Hubzylinder 85 angeordnet, deren Hubkolben 86 Melkbecher 21 tragen. Die das Betriebsvakuum und den Betriebsdruck zu den Gummibalgen 83 und den Hubzylindern 85 führenden Leitungen sind durch das Tablett 67 zum Roboternebenarm 25c oder dergleichen geführt. Die Milch- und Druckschläuche 71 zu den Melkbechern 21 bilden Schlaufen, die wieder zum Melktablett 87 zurückgeführt sind.

Solange in den Gummibalgen 83 ein Überdruck herrscht, stehen die Melkbecher 23 senkrecht auf dem Tablett 67a. In dieser senkrechten Stellung werden die Melkbecher 23 angesetzt durch Hochfahren der Hubkolben 86. Danach wird der Überdruck in den Gummibalgen abgestellt. Nun sind die Hubzylinder 85 flexibel gehalten und um bis zu etwa 40° verkippbar. Auch in diesem Fall sind die Gummibalge schlagfest und vor Schlägen der Kuh zerstörungssicher gehalten.

Bei dem Melkbechermodul 81 nach Fig. 5 werden die Melkbecher 21 nacheinander angesetzt. Die Positioniervorgänge sind sowohl von der Strecke, als auch zeitlich minimal, weil der Melkbechermodul 81 vor dem Ansetzen auf den Melkbecher-Mittelpunkt 36a1 ausgerichtet wurde.

Fig. 5c zeigt einen als Magazin ausgebildeten Melkbechermodul 89, der wieder am Roboterarm 25, am Nebenarm 25c oder einem anders gestalteten Modulhaltearm angeordnet ist. Der Melkbechermodul 89 weist zwei parallele Schienen 90 auf, zwischen denen sich Haltepositionen aneinander anreihen. Die Melkbecher 21, 1 bis 4 sind von Halteposition zu Halteposition zum freien Schienenende 91 hin verschieblich. Die letzte am freien Schienenende 91 gelegene Hubposition 92 ist mit einer Hebevorrichtung 93 versehen.

Die Melkbecher 21 werden aus der Hubposition 92 mittels der Hubzylinderanordnung 93 einzeln angehoben und angesetzt. Die noch nicht angesetzten Melkbecher 21 werden nacheinander zur Hubposition 92 nachgeschoben. Nachdem der letzte Melkbecher 21 angesetzt ist, wird der Modul 91 abgesenkt, so daß die Melkbecher 21 frei hängen können. Nach dem Melkvorgang werden alle Melkbecher wieder zwischen die Schienen 90 zurückgezogen.

Fig. 5d zeigt eine weitere Variante eines für Einzelansetzbetrieb ausgelegten Melkbechermoduls 95, der über den Roboterarm 25, das Gelenk 51 und den Nebenarm 25 vom Roboter 27 getragen wird. Der Melkbechermodul 95 weist ein Tablett 97 auf, das mit Ausnehmungen 98 für Melkbecher 21 versehen ist. Der Melkbechermodul 95 ist form- und kraftschlüssig beispielsweise mit dem Nebenarm 25c verbunden.

Der Roboter 27 positioniert nacheinander jeweils einen Melkbecher 21 unter einer Zitze. Das Positionieren erfolgt sonden- und rechnergesteuert wie es zu Fig. 3a und 3b beschrieben ist, indem jeder Melkbecher 21 für sich allein über seine Soll-Zitzenpositionen zu seinen Ist-Zitzen­ positionen gefahren wird. Die Positionen, die der Modul dabei einnehmen kann, sind in Fig. 5d gestrichelt im Euterbereich 99 dargestellt. Das Anheben des Melkbechers 21, d. h. die Bewegung in der z-Richtung, erfolgt mittels des Nebenarmes 25c, der unmittelbar neben oder um jeden Melkbecher 21 herum über das Tablett 97 an diesem angreift. Nach dem Positionier- und Ansetzvorgang für eine Zitze senkt der Roboter 25 den Melkbechermodul 95 ab; er steht damit für den nächsten Ansetzvorgang der nächstfolgenden Zitze zur Verfügung. Dieser Ansetzvorgang beginnt erst nach dem Orten der nächstfolgenden Zitze auf die zuvor beschriebene Weise. Nach dem Abschluß der einzelnen Ansetzvorgänge fährt der Melkbechermodul 95 nach unten und alle Melkbecher hängen frei an den Zitzen. Nach dem Abschluß des Melkvorganges werden alle Melkbecher 21 zum Tablett des Moduls zurückgezogen.

Claims (29)

1. Verfahren zum automatischen Melken von in einer Melkbox (1) stehenden Tieren, insbesondere Milchkühen, mittels von einem Roboter (27) geführter Melkbecher (21), die, von einem Datenspeicher und -rechner (31) gesteuert, an die Zitzen des Tieres herangefahren und angesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Melkbecher (21) oder eine Melkbechergruppe vom Roboter (27) in eine Zwischenposition (ZWP1) vor dem Euter des Tieres gefahren wird, wobei vorher in einem Einlernvorgang einmalig für jedes einzelne zu melkende Tier die Lage dieser Zwischenposition (ZWP1) sowie der Zitzenpositionen ausgemessen und die ausgemessenen Werte dem Datenspeicher (31) als tierspezifische Positionen eingegeben wurden,
• - der Roboter (27) beim Handhaben der Melkbecher (21) diese von der tierspezifischen Zwischenposition (ZWP1) rechnergesteuert in die für die Zitzen dieses Tieres spezifische Zitzenstartpositionen (ZPR, ZPL) fährt, wobei diese Zitzenstartpositionen beim Handhaben einer Melkbechergruppe gegebenenfalls übergangen werden,
• - der Roboter (27) danach beim einzelnen Handhaben der Melkbecher rechnergesteuert nacheinander, gespeicherte einzelne Soll-Zitzenpositionen (ZPR, ZPL) und beim Handhaben einer Melkbechergruppe rechnergesteuert eine zentrale Soll-Zitzenposition (36a1) anfährt,
• - von diesen Soll-Zitzenpositionen aus sondengesteuert die momentanen Ist-Zitzenposition ermittelt und vom Melkbecher (21) oder der Melkbechergruppe angefahren werden,
• - der Melkbecher (21) oder die Melkbechergruppe vom Roboter aus der Ist-Zitzenposition durch Hochfahren angesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Hinfahr- und Ansetzvorgang in seiner zeitlichen Folge nur dann einsetzt und nach eventuellen Unterbrechungen weitergeführt wird, wenn sich die Kuh entsprechend einer Sondenüberwachung in der Melkbox (1) wenig bis überschaubar lebhaft bewegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kuhspezifischen Daten im Datenspeicher (31) als Weglängen gespeichert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungen der Kuh in der Melkbox (1) mittels Positionssensoren (17a-d) überwacht werden, die auf den Körper der Kuh gerichtet sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß von der Boxrückwand (5f) her zwei horizontal auf Abstand auf den Körper der Kuh gerichtete Sensoren (17c, 17d) den Abstand zur Boxrückwand (5f) ermitteln.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß etwa alle 40 bis 60 msec die Abstände zwischen den beauf­ schlagten Körperteilen der Kuh und den Sensoren (17a-d) gemessen und daraus die während dieser Zeitintervalle eingetretenen Lageänderungen des Kuhkörpers gegenüber der Lage, die mittels der kuhspezifischen Daten als Sollage vorgegeben ist, auf die Istlage zur Eckzeit korrigiert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelten Lageänderungen pro Zeitintervall in Klassen eingeteilt werden, die dem Datenspeicher mitteilen, ob sich die Kuh ruhig, lebhaft oder wild verhält, wobei der Fahrvorgang des Roboterarmes (25) im Bereich und damit während der Zeit des wilden Verhaltens der Kuh unterbrochen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Weglängen im zweidimensionalen X-Y-Koordinatensystem einer zweidimensionalen horizontalen Ebene (29) gespeichert werden und daß die von der jeweiligen Zitzenstartposition (ZPR, ZPL) und Soll-Zitzenposition ausgehende sondengesteuerte Endausrichtung auf die jeweilige Zitze abgeschlossen wird durch das Anheben des Melkbechers (21) in der Z-Koordinate des Koordinatensystems.

9. Melkbox zur Durchführung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an der Rückwand (5f) der Melkbox (1), der das Heck der Kuh zugewandt ist, in etwa gleicher Höhe zum Boden (3) der Melkbox (1) und im gegenseitigen Abstand Sensoren (17c, 17d) angeordnet sind, deren Meßkeulen nach vorn auf das Heck der Kuh gerichtet sind, und daß an den Seitenwänden (5a) der Melkbox (1) in Körperhöhe und etwas vor dem Euter der Kuh weitere Sensoren (17b) angeordnet sind, deren Meßkeulen quer zur Kuh auf deren Körper gerichtet sind.

10. Melkbox nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkeulen mit einem Streuwinkel von ca. 10° auf den Körper der Kuh gerichtet sind.

11. Roboter zum automatischen Melken von in Melkboxen (1) stehenden Milchkühen, der zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 einsetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Melkbecher (21) oder die Melkbechergruppe tragender Roboterarm (25) in der Horizontalen einmal um ein mit einer vertikalen Schwenkachse (49a) versehenes erstes Drehgelenk (49) schwenkbar ist und weiterhin im Abstand von diesem ersten Drehgelenk (49) ein weiteres um eine vertikale Achse (51a) wirkendes Drehgelenk (51) aufweist zur Ausführung von Drehbewegungen in einer horizontalen X-Y-Ebene (29).

12. Roboter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Roboterarm (25) senkrecht zur X-Y-Ebene in der Z-Richtung anheb- und absenkbar ist.

13. Roboter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Melkbecher (21) oder die Melkbechergruppe senkrecht zur Schwenkebene (29) des Roboterarmes (25) mittels einer unabhängig vom Roboter (27) oder Roboterarm (25) wirkenden Hebe- oder Hubvorrichtung (69, 85, 93) in der Z-Richtung anheb- und absenkbar ist.

14. Roboter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkbewegungen des Roboterarmes (25) in der horizontalen X-Y-Ebene um seine vertikalen Schwenkachsen (49a, 51a) mittels jeweils zugeordneter Elektromotoren (53) erfolgt, während das Anheben und Absenken des Roboterarmes (25) oder der Melkbecher (21) in der vertikalen Z-Richtung pneumatisch erfolgt.

15. Roboter zum automatischen Melken von in Melkboxen (1) stehenden Milchkühen, der zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 einsetzbar ist, gekennzeichnet durch eine Zitzenortungsanordnung (A) mit von Energiequellen abgegebenen Energie-(Ultraschall oder Infrarot)-strahlen (d2, d3), die auf einen Soll-Mittel­ punkt (36) oberhalb eines einzelnen Melkbechers (21) oder einen zentralen Soll-Mittelpunkt (36a1) eines mit einer Melkbechergruppe besetzten Melkmoduls (61, 81) gerichtet sind, wobei bei einem Abweichen eines vom Rechner vorgegebenen Soll-Mittelpunktes (36a, 36a1) von dem Ist-Mittelpunkt (36b), in dem sich die Zitze(n) befindet(n), der den Melkbecher (21) oder den Melkbechermodul (61, 81) tragende Roboterarm rechnergesteuert in X- und Y-Richtung verschoben wird, bis sich die Soll- und Ist-Mittelpunkte decken. (Fig. 3a, b).

16. Roboter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwei erste Energiestrahlen (d2, d3) gegenüber Parallelen zu einem zweiten Energiestrahl (39d) um 30° aufeinander zugeneigt sind, wobei sich die Mittellinien aller Energiestrahlen (d2, d3, 39a) in dem Soll-Mittelpunkt (36a, 36a1) schneiden.

17. Roboter nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der ersten Energiequellen (S2, S3) für die zwei ersten Energiestrahlen (d2, d3) zwei weitere Energiequellen (S5, S6) für weitere erste Energiestrahlen (d4) vorgesehen sind, die sich nach oben ansteigend mit den ersten und zweiten Energiestrahlen (d2, d3, d4, 36d) in dem Soll-Mittelpunkt (36a, 36a1) treffen.

18. Roboter nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Energiestrahlen (d2, d3) und der zweite Energiestrahl (39d) gegenüber der Horizontalen um 15° ansteigend und die weiteren ersten Energiestrahlen (d4) gegenüber der Horizontalen um 40° ansteigend auf den Soll-Mittelpunkt (36a, 36a1) gerichtet sind.

19. Roboter zum automatischen Melken von in Melkboxen (1) stehenden Milchkühen, der zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 einsetzbar ist, gekennzeichnet durch

• - eine Zitzenortungsanordnung (B) mit einem von einer Strahlungsquelle (39) ausgehenden Lichtstrahl (39d), der zu einer Lichtebene (39e) aufgeweitet wird, durch welche Lichtebene (36e) Zitzen hindurchgreifen können,
• - wenigstens eine Videokamera CCD1 oder/und CCD2, deren Objektivmittellinien y1 oder/und y2 sich im Soll-Mit­ telpunkt (36a, 36a1) treffen, der auch in die Lichtebene (39e) fällt, wobei bei einem Abweichen eines vom Rechner vorgegebenen Soll-Mittelpunktes (36a, 36a1) von dem Ist-Mittelpunkt (36b), in dem sich die Zitze(n) befindet(n), der den Melkbecher (21) oder den Melkbechermodul (61, 81) tragende Roboterarm rechnergesteuert in X- und Y-Richtung verschoben wird, bis sich die Soll- und Ist-Mittelpunkte decken. (Fig. 3c, d)

20. Roboter nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der in einer Strahlungsquelle (39) erzeugte Lichtstrahl ein Laserstrahl mit stark gebündelten parallelen Lichtstrahlen ist.

21. Roboter nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektiv-Mittellinien y1 oder/und y2 gegenüber Parallelen zur Strahlmittellinie (39d) um 28° in Richtung auf die Strahlmittellinie (39d) zugestellt sind.

22. Roboter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Zitzenortungsanordnung (A, B) an einen Roboterarm (25c) angeordnet ist, der den Melkbecher (21) oder den Melkbechermodul (61, 81, 89, 95) mit der Gruppe von Melkbechern (21) trägt.

23. Roboter nach einem der Ansprüche 11 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß alle Versorgungsleitungen (71) der Melkbecher (21) und der Melkbechermodule (61, 81, 89, 95) über den den Modul tragenden Roboterarm (25c) und den Roboter (27) zu einer zentralen Milchsammelstelle und Energieversorgungseinheit geführt sind.

24. Melkbechermodul zum automatischen Melken von in einer Melkbox (1) stehenden Milchkühen, der an einem Arm eines Roboters angeordnet ist, der einen oder mehrere Melkbecher (21) trägt und der zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - jeder einzelne Melkbecher (21) lösbar in einer ihn umfassenden, vom Roboterarm (25c) getragenen Hebevorrichtung (69) gehalten ist, mittels der er hochfahrbar und an eine Zitze ansetzbar ist,
• - die Hebevorrichtung (69) danach durch ein Absenken von der Zitze und dem daran haften bleibenden Melkbecher (21) wieder allein absenkbar ist,
• - der Melkbecher (21) nach dem Abschluß des Melkvorganges durch Absenken auf den Modul (61, 89, 95) zurückführbar ist. (Fig. 5a).

25. Melkbechermodul zum automatischen Melken von in einer Melkbox (1) stehenden Milchkühen, der an einem Arm eines Roboters angeordnet ist, der einen oder mehrere Melkbecher (21) trägt und der zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - jeder einzelne Melkbecher (21) mittels einer Hebevorrichtung (85) zum Ansetzen an eine Zitze anhebbar ist, wobei sich die Hebevorrichtung (85) mittels eines aufblasbaren Gummibalges (83) am Modul (81) abstützt,
• - der Gummibalg (83) nach dem Ansatzvorgang entspannbar ist, wodurch sich der Melkbecher (21) in einem Winkelbereich von etwa bis zu 40° dem individuellen Tiereuter anpaßt. (Fig. 5b)

26. Melkbechermodul nach einem der Ansprüche 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Zitze eines Tieres eine dieser Zitze zugeordnete Hebevorrichtung (69, 85) vorgesehen ist, die sich mit oder ohne zwischengefügten Gummibalg (83) an einem Tablett (67, 67a) abstützt, wobei die gegenseitige räumliche Zuordnung der Hebevorrichtungen (69, 85) am Tablett (67, 67a) der mittleren Verteilung der Zitzen in der X-Y-Ebene entspricht.

27. Melkbechermodul zum automatischen Melken von in einer Melkbox (1) stehenden Milchkühen, der an einem Arm eines Roboters angeordnet ist, der einen oder mehrere Melkbecher (21) trägt und der zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die einzelnen Melkbecher (21) in einer Reihe aufgereiht zwischen parallelen Schienen (90) angeordnet sind, die zwischen sich ein Schiebemagazin ausbilden,
• - die Melkbecher (21) in dem Magazin zu einer Hubposition (92) verschiebbar sind, in der sich eine Hebevorrichtung (93) befindet,
• - jeweils der in der Hubposition (92) befindliche Melkbecher (21) von der Hebevorrichtung (93) an jeweils eine Zitze durch Anheben ansetzbar ist. (Fig. 5c).

28. Melkbechermodul zum automatischen Melken von in einer Melkbox (1) stehenden Milchkühen, der an einem Arm eines Roboters angeordnet ist, der einen oder mehrere Melkbecher (21) trägt und der zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Modul ein Tablett (97) aufweist, das mit vier Aufnahmen (98) für Melkbecher (21) versehen ist, in denen je ein Melkbecher (21) lösbar absetzbar ist, daß der Arm (25c) des Roboters (27) die auf dem Tablett (97) abgesetzten Melkbecher (21) nacheinander in ihre Ist-Zitzenpositionen fährt, aus denen heraus der Roboterarm (25c) dann jeweils einen rechnergesteuert positionierten Melkbecher (21) zum Ansetzen an die Zitze anhebt, und daß der Roboterarm (25c) das Tablett (97) nach jedem Ansetzen absenkt, wonach der Roboterarm (25c) einen anderen Melkbecher (21) rechnergesteuert unter einer anderen Zitze in deren Ist-Zitzenposition fährt, bis sich das Tablett (97) nach dem Ansetzen aller Melkbecher (21) allein unter den Melkbereich absenkt.

29. Melkbechermodul nach einem der Ansprüche 24 und 16 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Melkbecher (21) nach dem Abschluß des Melkvorganges auf das abgesenkte Tablett (67, 95) oder zwischen die Schienen (90) zurückgezogen werden.