用于对乳畜动物自动挤奶的挤奶机器人装置

本发明涉及一种用于对乳畜动物自动挤奶的挤奶机器人装置，所述挤奶机器人装置包括：具有多个挤奶杯的挤奶箱、以及具有末端执行器的机器人臂，所述末端执行器用于将挤奶杯施加至乳畜动物的乳头。

这样的挤奶机器人是本身众所周知的。在实践中，对这样的挤奶机器人系统具有高的且多种多样的需求。例如，机器人臂移动到乳畜动物下方并且可能被暴露而被乳畜动物踢到。大多数机器人臂因此被配置成非常鲁棒的。然而，相反地，在机器人臂的使用期间应尽可能地确保动物安全性。此外，乳畜动物的尺寸通常彼此大不相同，因此臂需要相对较大的操作范围。挤奶畜栏的环境也很具污染性，这是因为腐蚀性蒸气以及可选地高高飞溅的粪便或尿液。另外，挤奶机器人原则上是连续运行的并且因此使用大量的能量。

在实践中，看起来当前的挤奶机器人装置不能以最佳方式满足上述要求或情况。因此，本发明的目的是提供一种更好地满足至少一些上述要求的挤奶机器人装置。

本发明通过下文所述的挤奶机器人装置实现了该目的，特别是一种用于对乳畜动物自动挤奶的挤奶机器人装置，所述挤奶机器人装置包括：具有多个挤奶杯的挤奶箱、以及具有末端执行器的机器人臂，所述末端执行器用于将所述挤奶杯施加至所述乳畜动物的乳头，所述机器人臂悬挂在所述挤奶箱上、在待挤奶的乳畜动物上方，其中，所述机器人臂包括第一臂部分和第二臂部分，所述第一臂部分通过第一接头连接至所述挤奶箱，并且所述第二臂部分通过第二接头连接至所述第一臂部分并且设有末端执行器；其中，所述第一臂部分可通过第一致动器相对于所述挤奶箱在竖直平面内枢转，并且所述第二臂部分可通过第二致动器相对于所述第一臂部分在竖直平面内枢转；其中，所述末端执行器可被所述机器人臂在操作范围内移动；其中，所述挤奶机器人进一步包括重量补偿装置，所述重量补偿装置具有弹簧装置，所述弹簧装置连接在所述挤奶箱与所述机器人臂之间，并且被配置用于施加绕所述第一接头的第一转矩和绕所述第二接头的第二转矩，使得在所述操作范围上观察时，所述第一转矩对于由重力对所述臂施加的绕所述第一接头的转矩补偿至少一半、特别地补偿至少90％，并且所述第二转矩对于由重力对所述臂施加的绕所述第二接头的转矩补偿至少一半、特别地补偿至少90％。

在此应注意的是，第一臂部分和第二臂部分特别地分别通过第一致动器和第二致动器在竖直平面中排他性地枢转，这可以使整个构造、尤其是接头变得更鲁棒。在此情况下可能期望机器人臂构造整体可水平移动、例如沿着导轨移动。然而，这对于重量补偿和本发明的其他方面不产生区别。

借助于这两个臂部分和这两个接头，相对简单的是既产生足够大的操作范围、又使接头在这样做时保持在地面上方高的高度。在这种情况下，甚至似乎可以使接头保持高于待挤奶的乳畜动物，如下文将更详细解释的。

另外，第一和第二“由重力对机器人臂施加的转矩”原则上分别是指重力分别绕第一和第二接头对于在竖直平面内可移动的所有机器人臂部分施加的转矩。根据本发明，第一和第二转矩分别借助于重量补偿装置对机器人臂施加的弹簧力而被抵消或补偿，其中必须尤其根据机器人臂(部分)的几何形状和质量分布来选择弹簧力的(至少一个) 接合点、大小和(分量的)方向。下文将参考几个实例对此进行更详细的解释。

本发明背后的概念是多个见解的组合。例如，臂、以及因此臂部分之间的接头的高高悬挂确保至少大多数较脆弱的部分(例如接头) 保持远离粪便和尿液飞溅的直接污染。在这种情况下，末端执行器例如在水平方向上的运动是通过使臂部分绕着布置得更高的旋转点进行枢转来实现的。当然与笛卡尔机器人臂相比，这些臂部分与接头的组合实现紧凑的机器人臂构造。

尽管具有在竖直平面内的可枢转性的高高悬挂意味着必须移动和承载臂的整个重量，但是根据本发明又通过重量补偿装置对此进行了补偿。后者通过补偿重力的力矩来确保要移动的净重显得小得多。其结果是，比如电致动器等致动器所需的转矩较低，因此致动器也可以更小，因此总体构造也更轻且更紧凑。这还确保了在操作范围内移动臂所需的力较小并且因此能量也较小。这又对乳畜动物提供了更高的固有安全性，一方面是因为机器人臂施加的力稍小，另一方面是因为乳畜动物、还以及例如操作者可以在危险的情况下更容易解救自己，或者至少能够推开机器人臂。正是这些特征和特性的组合使得根据本发明的挤奶机器人设施能够更好地满足上述需求。

从EP 0300115本身已知具有笛卡尔驱动器的机器人臂，其具有三个相互垂直的导杆。因此，没有重量补偿问题，因为可以通过皮带轮和配重物来补偿竖直运动，但是在相同的操作范围的情况下，臂更容易发生挤奶杯的污染并且整体的紧凑性较差。另外，从WO 02/102142 已知一种具有3个电驱动器的机器人臂。然而，该文献没有提及机器人臂的任何其他实施例细节，也没有提及该驱动器为何会具有与挤奶机器人装置的上述需求相关的任何优点或任何其他优点。

在接下来的描述部分中描述了特定的实施例。

在实施例中，所述致动器中的至少一个、特别地每一个致动器是或包括电致动器，例如主轴。这样做的优点是，在发生故障(例如电源故障)时，致动器不会松开而掉到地面上，而是由于内部摩擦，原则上仍保留在原位。其结果是，在故障情况下，尤其是挤奶杯被不必要的污染的风险较小。由于这种内部摩擦，与具有电致动器的未经补偿的挤奶机器人装置相比，由于重量补偿也可以节省额外的能量。毕竟，即使机器人臂处于固定位置，例如在乳畜动物下方，具有电致动器的未经补偿的挤奶机器人装置原则上在操作期间也必须被连续致动。其结果是，原则上比其他致动器(例如气动或液压致动器)具有更高的能量消耗，这些致动器能够通过关闭阀来阻碍流体流动而保持在无消耗的位置。然而，在本发明中，致动器的有效或表观重量可以减小，以使得摩擦或多或少能够承担所述阀的功能。顺便提及，在非常低的摩擦下，能量消耗也略低，因为在这种情况下所需的连续转矩仍然可以减小至少一半，并且有利地减小大致90％。

在实施例中，所述致动器中的至少一个、特别地每一个致动器是或包括气动致动器。在这种情况下，本发明的一个优点是它也可以被配置得更轻且更小，这使得致动器在使机器人臂移动时使用更少的(经净化且调和的)空气和能量。因为原则上这是连续操作的，所以在这种情况下也可以节省很多。如上文已经叙述的，其他致动器也是可能的，例如在这种情况下为液压致动器，其同样可以被配置得更轻。

在实施例中，所述弹簧装置在第一端处连接至所述挤奶箱、并且在第二端处经由第一杆连接至所述第一臂部分且经由第二杆连接至所述第二臂部分。通过这种构造，似乎很可能在挤奶机器人所需的操作范围上将机器人臂的表观重量减少一半以上，最多为约90％。在这种情况下，弹簧装置可以是螺旋弹簧、气体弹簧等。在这种情况下，气体弹簧具有例如可以与过载保护装置进行组合的优点。

在此应注意的是，弹簧装置因此被更好地配置成施加两个不同的力矩，以使得重力在第一和第二接头上的相应力矩可以得到较大补偿。还应注意的是，由于臂通过绕这两个接头枢转而发生的形状变化，重心并且因此重力的力矩可以合理地变化。杆的长度和取向然后可以按其进行调节。

特别地，所述第一杆在所述第一臂部分的背离所述挤奶箱的一半上连接至所述第一臂部分，并且所述第二杆在所述第二臂部分的面向所述第一臂部分的一半上、尤其是在所述第二臂部分的连接至所述第一臂部分的三分之一上连接至所述第二臂部分。在此，“一半”和“三分之一”分别用于指代相应机器人臂部分的分别等于所述臂部分的一半长度和三分之一长度的部分。然后将相关的杆在臂部分的相关部分内连接到臂部分上。因此，通常可以在不过度损害机器人臂或挤奶系统的紧凑性和操作范围的情况下优化力和力矩。

在根据本发明的挤奶装置的特别有吸引力的实施例中，末端执行器包括四个杯固持器，每个杯固持器带有挤奶杯。特别地，这些杯固持器均直接连接至末端执行器并且因此连接至机器人臂。这还意味着，末端执行器在非操作状态下、例如在挤奶操作之间承载杯固持器上的所有四个挤奶杯。这样的机器人臂比一个接一个地抓取并施加挤奶杯的机器人臂更大且更重，并且因此将从本发明中获益更多。用于本实施例中的机器人臂的实例是Lely其具有带有四个挤奶杯的末端执行器。在此应注意的是，机器人臂还可以包括其他部分，例如乳头检测系统、一组毛刷或其他乳头预处理装置等。

现在将参见示出了本发明的一个或多个实施例的附图来更详细地讨论本发明，在附图中，更具体地：

图1示出了根据本发明的挤奶机器人装置的透视图，

图2示出了非常图解式的挤奶机器人装置，

图3示出了根据本发明的挤奶机器人装置的细节的图解截面，

图4图解地示出了根据本发明的挤奶机器人装置的使用期间的力图，

图5图解地示出了机器人臂的不同位置的实施例，并且

图6示出了与图5相关联的力的简化图解表示(未按比例)。

图1示出了根据本发明的挤奶机器人装置1的透视图。该装置包括挤奶箱(总体用附图标记2表示)和机器人臂3，该机器人臂带有挤奶杯4并且悬挂在托架顶部14和托架底部15上，该托架顶部和该托架底部通过托架梁16彼此连接。挤奶箱包括顶部横梁10和顶部纵梁11、还以及柱12和中央纵梁13。重量补偿装置非常图解式地用20 表示。

所展示的挤奶机器人装置1被配置用于将挤奶杯4连接至未示出的乳畜动物的乳头。为此，装置1包括致动器(在此未示出)，用于使机器人臂3移动并且控制机器人臂的各个部分将挤奶杯4朝乳头的方向移动。所有这些都在图3中更详细示出。根据本发明，装置1包括重量补偿装置20，同样在图3中更详细地描绘了该重量补偿装置。

图2示出了非常图解式的替代性挤奶机器人装置，其中相似的部分由相同的附图标记表示，可选地设有撇号。在这种情况下，机器人臂3’包括可在挤奶箱顶部沿箭头A的方向绕竖直轴线旋转的悬架、以及用于从杯库6中抓取挤奶杯的抓取件7，该抓取件被此处所示的致动器8沿箭头B和C的方向移动。

图3示出了根据图1的挤奶机器人装置的细节的图解截面侧视图。这个图再次示出了机器人臂3。机器人臂3包括第一或顶部机器人臂部分3-1、第二或中央机器人臂部分3-2以及(可选地)底部机器人臂部分或末端执行器3-3。机器人臂3还包括第一臂接头17、第二臂接头18以及(可选地)第三臂接头19。还示出了(但仅非常图解式地) 第一臂缸21以及(可选地)第二臂缸23，第一臂缸和第二臂缸通过相应的第一缸接头22和第二缸接头24附接在托架梁16与相应的机器人臂部分之间。

此外，重量补偿装置被示为气体弹簧25的形式，该气体弹簧通过气体弹簧接头26附接至托架底部15以及第一杆30和第二杆32，第一杆和第二杆在气体弹簧接头26以及相应地第一杆接头31和第二杆接头33中可枢转地连接至相应地第一臂部分3-1和第二臂部分3-2。应注意的是，为清楚起见，这个图没有示出托架梁16与第一臂部分 3-1之间的致动器，该致动器没有重量补偿装置、将必须支承最大的重量。然而，这将在图4中进一步阐明。

所展示的带有致动器的机器人臂3可以使放置在挤奶杯固持器5 上的挤奶杯4在操作范围40内移动，操作范围的极限用虚线指示。操作范围40可以大到例如从挤奶箱的很外面延伸超过挤奶箱的中心，而使得整个机器人臂3的净重心可以移动相当大的距离。为了在任何情况下都在这个相当大的操作范围40上实现足够有效的重量补偿，必须基于计算(例如使用：运动学的数学模型，该模型允许根据臂的设计参数和操作范围来计算重力的净减小量；以及最小二乘法，这允许计算出模型的设计参数的最佳组合，再次是在给定臂的所期望操作范围和重心的情况下)或试错法将气体弹簧25相对于相关臂部分3-1以及在这种情况下的3-2正确地定位。为此，气体弹簧25不是通过仅使用单一杆连接至一个机器人臂部分，而是通过第一杆30和第二杆32连接至两个机器人臂部分。在机器人臂的形状发生变化并且因此重心发生(相对较大的)位移的情况下，气体弹簧25及其部件(经由杆30 和32起作用)的弹簧力的方向和接合点也因此也将以有效的方式移动。

在此应注意的是，将机器人臂分为第一、第二和第三机器人臂部分是可选的。如果仅提供第一臂部分和带有末端执行器的第二臂部分也是足够的。这具有的优点是，接头17和18都可以布置在高处，远离尿液或粪便飞溅。这可以例如通过将接头19配置成刚性的(例如作为焊接)而实现，其中臂部分3-2和3-3因此本质上刚性地连接至一个单个臂部分。然而，在一些情况下，具有缸23的接头19可以是有利的，例如当被奶牛踢到时作为过载保护装置。然后，这个缸充当气体弹簧，该气体弹簧仅在过大的负载(被奶牛踢到，等)时膨胀并允许臂部分3-3绕接头19旋转。这个实施例能够比其中整个臂将不得不与臂部分3-2和3-3一起旋转的情况响应更快。

第一杆30的第一接合点(换言之第一杆接头31)连接至第一臂部分3-1并且位于臂部分3-1的中心或在中心与第一臂接头17之间，是有利的。同样，第二杆32的接合点(换言之第二杆接头33)位于不更远离第二臂部分3-2的中心之处、并且有利地位于第二臂接头18与第二臂部分的三分之一长度处的点之间，是有利的。如此连接至气体弹簧25上，则气体弹簧能够在操作范围40上以适当的方式极大地抵消重力对机器人臂3的力矩：绕接头17的第一力矩以及绕接头18 的第二力矩二者。因此，尤其由第一臂缸21和臂致动器(在此未展示)施加的力矩(使第一臂部分3-1相对于托架顶部14移动)将比没有重量补偿的情况小得多。

本实例中示出的机器人臂包括在四个杯固持器5上的四个挤奶杯 4。因此机器人臂3整体将比例如图2中的机器人臂实施例更重，后者仅必须承载一个挤奶杯4，而没有任何杯固持器。图3的机器人臂3 或至少末端执行器也需要更大且更宽，以便能够承载所有四个挤奶杯。此外，由于在这两种情况下机器人臂3和3’分别需要被配置成足够鲁棒，以便能够抵抗例如被乳畜动物踢到，因此这样的机器人臂3的总重量通常相当大。在实际的实例中，机器人臂3具有大致100kg的质量。作为重量补偿的结果，在要施加的力方面，该质量在大部分操作范围40中似乎已减小到最大为大致10kg、甚至小于5kg。这意味着，需要通过致动器对机器人臂部分施加的所需力矩同样可以被减小大致十至二十倍。为此所需的致动器是基于其产生的(最大)转矩来确定尺寸的。由于现在所需的最大转矩比没有重量补偿装置时要小得多，因此致动器可以小得多。顺便提及，在此应注意的是，在这个实施例和其他实施例中，为了方便起见，假定致动器是缸。然而，在这个实施例和所有其他实施例中，替代性地或附加地，还可以存在电致动器，例如主轴等。此外，这些也可以被纳入接头中，并且例如设有行星齿轮变速器。然而，致动器的选择对于本发明而言的重要性是次要的。

图4图解地示出了在根据图3的装置中出现的最相关的力的力图。这示出了致动器35，该致动器通过铰链接头(未示出)连接在托架底部15中间，并且通过用a1表示的接头连接至第一臂部分3-1。致动器 35施加的力在此用矢量F1图解地示出。同样，致动器21对臂部分3-2 施加的力用F2表示。

重量补偿气体弹簧25(也可以是不同类型的弹簧，并且在这种情况下仅象征性地示为位于接头26、31和33之间)具有基本长度L0，并且，经由杆30和32，对第一臂部分3-1的第一杆接头31处施加了相应的弹簧力分量Fv1，并且对第二臂部分3-2的第二杆接头33处施加了第二弹簧力分量Fv2。

还示出了在这种情况下重心36的位置，重力W施加在此处。最后，示出了反作用力Wr，该反作用力施加在托架顶部14的第一臂接头17处。应注意的是，力Fv通常大致为力W和Wr各自的大致两倍大。

可以以简单的方式来计算所示出的力绕其各自旋转点(即，分别是接头17和18)的力矩。通过根据重心36的位置适当地选择第一杆接头31和第二杆接头33的位置以及第一杆30和第二杆32的长度，可以确保致动器35需要绕第一臂接头17施加的力矩可以减小两倍至二十倍，并且致动器21需要绕第二接头18施加的力矩可以减小2倍到20倍。

图5示出了机器人臂处于另一位置的实施例，在图6中为相关联的力的简化的图解图示(未按比例)。在图5中，机器人臂长距离地摆动到挤奶箱中。其结果是，重心36相对于接头17和18处于完全不同的位置。在没有重量补偿装置的情况下，致动器21现在将需要产生较大的反力以补偿重力绕接头18(和17)的转矩。通过呈具有杆30 和32的弹簧装置25的形式的重量补偿装置，现在施加了反力F’v1和 F’v2，这产生了转矩作为对重力W绕接头17和18的转矩的补偿。在摆动进入的操作过程中，弹簧25被略微压缩到长度L1，因此净弹簧力F’v改变。经由杆30和32，分量F’v1和F’v2由于其转矩补偿效应而同样改变。现在仍需要的力F’2比没有根据本发明的重量补偿装置的情况下小得多，因为重力转矩得到极大补偿。在此应注意的是，弹簧具有高的预紧力是有利的，其中在整个操作范围上弹簧的最大长度差异很小，例如最大为30％。当特别在(弹簧)力的方向上表示弹簧的力的作用时，这也是有利的。例如，图6示出了F’2作用在不同的方向上，因为相对于相关联的接头(图4中的附图标记18)，重心现在位于其他位置。为了很好地吸收这方面并且仍然具有较大的减小量，现在弹簧力也以分量F’v2的形式作用在相反方向上。为了实现这一点，需要相应地确定杆系统(图4中的附图标记30和32)的尺寸，以便其在关注弹簧力的作用方向的范围上适时地摆动。

在此应注意的是，到臂30和32的(最)合适的位置和长度以及弹簧装置25的弹簧常数取决于机器人臂3的几何形状和所选择的操作范围40。到确保转矩减小一半的一组值是非常直截了当的。将本发明细化为确保转矩减小约90％至95％的一组值较为费力，但相对直截了当，例如使用具有可调弹簧常数的弹簧，以及使用沿臂部分3-1 和3-2可滑动的且长度可调的两个臂30和32。在此情况下，分别读取致动器35和21相当快地提供了关于合适值的好主意。顺便提及，这种试错法可以得到初步计算的很好的支持。

所展示的实施例并非旨在进行限制，而是仅用于本发明的解释和说明。本发明的保护范围参照所附权利要求来确定。