Lely maakt melkrobot koevriendelijk met zachte elektromotor

’De natuurlijke manier van melken‘, zo adverteert Lely uit Maassluis zijn nieuwste melkrobot. De Astronaut A4 probeert de natuurlijke gang van de koeien in de stal zo weinig mogelijk te beïnvloeden. Het bedrijf ontwikkelde daarvoor onder meer een elektromotor die toch zacht contact kan maken, net als de pneumatische oplossing die het eerst gebruikte.

Alexander Pil

In november vorig jaar onthulde Lely de Astronaut A4-melkrobot. De agro-innovator uit Maassluis had deze keer gekozen voor geel als basiskleur, waar Lely-machines altijd rood zijn. Die trendbreuk heeft een marketingachtergrond. Het bedrijf wil er niet alleen mee aangeven dat de machine nieuw is, maar ook dat hij vernieuwende technologieën en concepten bevat. De ’yellow revolution‘ noemt Lely dat. ’Als je de Astronaut A4 vergelijkt met zijn voorganger – de A3 Next – is de enige overeenkomst dat ze allebei koeien melken‘, chargeert Ko van de Walle, VP engineering bij Lely.

De melkrobots van Lely moeten ervoor zorgen dat de inbreng van een boer bij het melken van zijn koeien tot een minimum beperkt blijft en dat het proces zo natuurlijk mogelijk verloopt. De machine lokt een koe naar binnen door haar een beetje voer aan te bieden. Als ze in de box aan het eten is, sluit het hek achter de koe. Van de Walle: ’Je wilt haar immers enigszins onder controle houden zodat de melk niet in de goot belandt.‘ Van de zijkant draait een robotarm onder de koe die volautomatisch vier bekers op de uier aansluit om de melk af te tappen. Dat gebeurt door de bekers vacuüm te trekken zodat de melk naar buiten wordt gezogen. Als de koe een paar minuten later volledig is gemolken, draait de robotarm weer weg en gaat het hek voor haar neus weer open.

Voordat de bekers worden aangesloten, bewerkt de robot de spenen eerst met een borstel. Dat is niet alleen uit hygiënisch oogpunt, het heeft nog een tweede reden. ’De melk begint pas te stromen als er een hormoon vrijkomt. De borstel maakt de speen schoon en stimuleert gelijk de melkstroom. Daarna worden de bekers aangesloten. In het systeem zit een voormelkafvoer. De eerste straal gaat niet de tank in maar komt in een apart reservoir. In die straal kan namelijk een verontreiniging zitten. Het is immers het begin van het kanaal. Dat gaat ook zo bij een normaal melkproces: de eerste straal komt niet in de emmer‘, aldus Van de Walle.

Belletjes

Iedere koe heeft een halsband met geavanceerde uniek genummerde sensor. ’Met RFID-technologie of via infrarood kan onze machine de koe herkennen‘, legt Van de Walle uit. ’Dat koenummer is verbonden met een database waar alle gegevens van de veestapel in zijn verwerkt. Voor iedere koe staan daar bijvoorbeeld de speencoördinaten in. Een koe is namelijk bepaald niet uniform. Een varken wel. Als die volwassen is, weet je redelijk goed hoe groot hij is en hoeveel hij weegt. Zo ook bij kippen. Koeien zijn er echter in verschillende groottes en hun uiers kunnen ook alle kanten opstaan. Als een koe voor het eerst de melkrobot binnenstapt, moet de boer het systeem even op weg helpen door grofweg aan te geven waar het de uiers moet zoeken. Als ze binnen dertig centimeter van de laser komen, kan het systeem het verder zelf af. Met een laser scant het de uier en de software bepaalt of het een speen is of niet. De volgende keer dat de koe binnenkomt, weet de melkrobot waar hij de spenen moet zoeken. Een 3D-camera registreert de achterkant van de koe en bepaalt zo waar de arm onder de koe moet, waardoor de spenen vanzelf binnen het bereik van de laser komen.‘

Via het oormerk registreert de Astronaut A4 ook of de koe ziek is geweest en een penicillinekuur heeft gehad. Ze wordt dan nog wel gemolken – anders krijgt ze mastitis (uierontsteking) – maar de melk gaat gelijk weg. Sowieso let Lely goed op de kwaliteit. Het Milk Quality Control-systeem in de Astronaut bevat een aantal sensoren om de melk te controleren. ’Je wilt bijvoorbeeld geen bloederige melk in de tank hebben‘, zegt Van de Walle. ’Als er een straaltje bloed in zit, moet die melk worden gesepareerd. Zodra de melk is onttrokken aan de koe, controleren we daarom op kleur, op geleidbaarheid, op temperatuur. Allemaal parameters op basis waarvan je kunt bepalen of het goede melk is of niet. En of de melk moet worden gesepareerd of naar het melkglas kan. Dit glas is de eerste opslagplek in het proces. Hier kan de melk ontluchten. Door het vacuüm zitten er namelijk luchtbelletjes in de vloeistof en die moeten eruit. Als het melkproces klaar is, wordt het melkglas geleegd. Dat kan in de tank, maar ook in onze M4Use-oplossing – in feite niet meer dan vier emmertjes waaruit de boer de kalveren kan voeden.‘

Bewegingsvrijheid

Elke koe heeft de vrijheid om zelf naar de robot te lopen. ’Ze wordt gemiddeld zo‘n 2,65 keer per dag gemolken‘, weet Van de Walle. ’De ene koe loopt tijdens haar dagelijkse routine misschien acht keer door de machine en wordt dus vijf keer geweigerd. Het hek gaat dan gelijk weer open en de koe krijgt geen eten. Er zijn natuurlijk koeien die niet uit zichzelf de machine in stappen. De boer kan daarvoor een attentielijst uitdraaien. Die spijbelaars kan hij dan naar de robot begeleiden. Maar het is ook een teken aan de wand als een koe vaak verzaakt. Als ze pijn heeft bij het lopen, bijvoorbeeld bij klauwzeer, zal ze haar bezoekjes overslaan.‘

Lely heeft de vrijheid van de koe hoog in het vaandel staan. ’Onze filosofie is om de koe een zo natuurlijk mogelijk gedrag te laten vertonen‘, legt Van de Walle uit. ’Als je haar vastzet, zal het melken niet altijd goed gaan. Het is ook een van de voorwaarden van succes: de koe moet het leuk vinden om naar de robot te komen. Anders werkt het systeem niet. Als ze weet dat ze er gepijnigd wordt, komt ze gewoon niet. Om de drempel te verlagen, hebben we in vergelijking met de A3 de sluis omgebouwd. Vroeger moest de koe om een bocht de melkrobot in. Nu kan ze recht naar binnen lopen en recht eruit. Dat is veel natuurlijker. Bovendien staat de koe nu tussen haar kudde. Daardoor is het nog minder vaak nodig om een koe te gaan halen. Dat percentage ligt nu ongeveer op een procent.‘

’We proberen de koe ook zo min mogelijk aan te raken‘, gaat Van de Walle verder. ’De koe staat vrij in de melkrobot. De enige verbinding tussen koe en robot zijn de bekers – precies zoals een astronaut tijdens een ruimtewandeling maar met één lijntje aan het ruimtestation vastzit. Daar hebben we de naam ook van afgeleid.‘ Met een 3D-camera houdt de Astronaut A4 in de gaten of de koe in de box beweegt. Hij vertaalt dit voor de robotarm zodat deze zachtjes kan meebewegen en de koe niet hindert.

Vrijwel altijd kan de laser de spenen vinden. De Astronaut sluit de bekers verticaal aan, ook al staan de spenen onder een hoek. Als het topje van de speen in de buurt van de beker komt, wordt het vacuüm opengezet en de speen naar binnen gezogen. Als de beker goed vastzit, wordt hij losgekoppeld van de robotarm en kan hij alle mogelijke posities innemen. Met een kabeltje kan de robot de beker weer terugtrekken.

Van de Walle: ’Het gebeurt wel eens dat een beker niet lekker zit en de koe hem er afschopt. Het systeem registreert dan een vacuümverlies. Hij knijpt de beker dicht en sluit hem opnieuw aan. Zo ben je er altijd zeker van dat alle melk eruit is. Dat is belangrijk voor de uiergezondheid.‘

Servopneumatiek

Waar Lely in de Astronaut A3 Next veel gebruikmaakte van pneumatiek, gooit het bedrijf uit Maassluis het in de nieuwe versie over een andere boeg. ’Wij zoeken continu naar mogelijkheden om het energieverbruik te verminderen. Luchtverbruik is een heet hangijzer‘, weet Van de Walle. ’Lucht is een duur medium en lastig om mee te werken omdat er altijd lekkages kunnen optreden. Eerst met elektriciteit lucht comprimeren en daarna de lucht laten wegvliegen? Dat klinkt niet efficiënt. Bovendien moet het schone lucht zijn, zonder stof, zonder waterdamp. Als je zo‘n stap kunt vermijden, moet je dat doen.‘

De eerste stap was om een elektromotor te introduceren voor de borstels die de spenen voor het melken schoonmaken. Dat scheelt 25 procent in het luchtverbruik. Ook voor de aansturing van de robotarm heeft Lely gedeeltelijk de overstap gemaakt van lucht naar elektrisch. De beweging in de y-richting – parallel aan de koe – verbruikte verreweg de meeste lucht. ’Als je een beweeglijke koe hebt, moet de robotarm daar continu corrigeren‘, legt Van de Walle uit. ’Dat kost allemaal lucht en dus energie. Een elektromotor zou dat veel efficiënter kunnen. Dat klinkt redelijk rechttoe rechtaan, maar een elektromotor heeft de vervelende eigenschap dat als hij stilstaat, hij ook echt stilstaat. In een luchtcilinder zit nog wat beweging. Die zachte contacten hebben we wel nodig. We willen de koe immers zo min mogelijk aanraken. En als er toch iets tegen aankomt, moet de arm meegeven.‘

’Het was een interessante uitdaging om een zachte elektromotor te creëren‘, gaat hij verder. ’Een deel van de oplossing was op de markt verkrijgbaar, de rest hebben we samen met Festo ontwikkeld. Een probleem is bijvoorbeeld de dynamowerking van een motor. Als je kracht zet op de motor en je werkt niet tegen, wordt het een dynamo. Je wekt dus stroom op die je niet afneemt. Oftewel: je verwarmt het systeem. Je moet dus zorgen voor actieve motion-control die heel direct op een kracht kan reageren. Door de juiste algoritmes te gebruiken in de terugkoppellus zijn we erin geslaagd om de elektromotor zacht te maken.‘

Lely wilde de cost of ownership naar beneden brengen. De grootste winst was daarbij te halen in de y-beweging omdat daar de meeste lucht wordt verbruikt. Die hebben de ontwikkelaars uit Maassluis dus eerst aangepakt. Van de Walle: ’Om alles gelijk over te zetten naar elektromotoren was een te grote ingreep met te grote risico‘s, was onze inschatting. In de volgende generatie zou dat wellicht wel kunnen. De y-as was de quick win. Bovendien hebben we nu geen last meer van die uitstekende zuigerstangen die juist in de y-richting het langst waren.‘

De x- en z-beweging van de robotarm zijn voorlopig nog wel luchtgestuurd. Lely doet dat met servopneumatiek. In de zuigerstang zit een meetsysteem dat nauwkeurig de slag registreert (Figuur 1). Daartoe is er een sleuf in de stang gefreesd om ruimte te maken voor een opnemer. Van de Walle: ’Je kunt het vergelijken met een liniaaltje. De sensor in de cilinderkop meet waar de stang is en geeft die informatie door aan de controller. Op zijn beurt stuurt die vier ventielen aan: een inlaat en uitlaat voor beide kamers. Als de zuiger naar links moet, pompt de controller wat lucht bij in de rechterkamer en tapt hij juist wat lucht af uit de linkerkamer. Doordat beide kanten van de zuiger onder druk staan, kun je de beweging heel nauwkeurig controleren.‘

De aanpak van servopneumatiek is vooral geschikt voor nauwkeurig positioneren met wisselende belastingen op de zuigeras, aldus Van de Walle. ’Of met wisselende versnellingen. Je kunt precies bepalen hoe je naar een positie gaat. Een lineaire motor zonder intelligentie zal typisch naar het punt toegaan en licht doorschieten. Slimme servopneumatiek geeft de mogelijkheid om bijvoorbeeld de beweging van de zuiger rond het juiste punt te dempen. Of om al eerder af te remmen zodat de zuiger precies op het juiste punt stopt. Slimme elektromotoren kunnen dat natuurlijk ook. Het mooie van luchtaandrijving is dat het zacht is. Maar als je de arm op een andere manier ook zacht kunt maken, kun je je afvragen of lucht nog altijd de beste oplossing is.‘

Zuren en basen

Automatisch melken is een kunst, maar de grootste truc zit ‘m in de reiniging van de leidingen, weet Van de Walle. ’De machine moet 24 uur per dag werken, zeven dagen per week, het hele jaar door, maar je wilt hem wel af en toe schoonmaken‘, schetst hij het probleem. ’Daarom vindt er twee keer per dag een hoofdreiniging plaats. Het is lastig om dat goed voor elkaar te krijgen. Gewoon wat schoon water erdoor spoelen is niet voldoende. Melk lijkt redelijk onschuldig, maar als je het ontleedt, blijkt het chemisch een agressief product. Het is natuurlijk vet en iedereen weet hoe lastig je dat ergens vanaf krijgt. Helemaal als je geen borstel kunt gebruiken. Je moet dus aan de slag met zuren en basen om dat voor elkaar te krijgen. Die spoel je met specifieke krachten en pulsaties door de leidingen. En met de goede temperaturen en in de juiste volgorde. Ieder hoekje moet je meenemen. Tijdens het ontwerpproces van de machine moesten we dus al rekening houden met de vereiste dat het systeem goed kan worden schoongehouden.‘

Een Astronaut A4 kan een veestapel van ongeveer zestig koeien aan. Het is echter een modulair systeem, waardoor Lely mikt op veeboeren van allerlei pluimages, van familieboerderijtjes met driehonderdduizend liter per jaar tot melkveebedrijven met meer dan tien miljoen liter per jaar. Van de Walle: ’In de centrale kast zit genoeg hardware voor twee melkrobots. Zo heeft de vacuümpomp overcapaciteit, waardoor hij geschikt is om twee robots tegelijk te bedienen. Als een boer dus te veel koeien heeft voor één apparaat, kan Lely er een tweede melkcel aanhangen en is er geen hele tweede machine nodig.‘

Die unit bevat verder de warmwatervoorziening, waterkleppenblokken, de reinigingsmiddelen, luchtverzorging, en de regelelektronica en aansturing. De moederborden zijn compleet opnieuw ontworpen. Lely heeft de specificaties daarvoor opgesteld, Adesys uit Wateringen heeft de PCB-oplevering voor zijn rekening genomen. De software is wel intern ontwikkeld en getest door Lely-engineers.

Tijdens Hightech Mechatronica 2011 op 24 maart in Veldhoven geeft Serge Loosveld van Lely een keynotepresentatie over de ontwikkeling van de Astronaut A4-melkrobot.