DE102006022817B4

DE102006022817B4 - Vorrichtung zur kostengünstigen Probenhandhabung im Labor

Info

Publication number: DE102006022817B4
Application number: DE200610022817
Authority: DE
Inventors: Manfred Zipperer; Markus Zipperer; Ulrich Jauß
Original assignee: Ingenieurbuero Cat M Zipperer GmbH; ZIPPERER M CAT INGBUERO
Current assignee: Ingenieurbuero Cat M Zipperer GmbH; ZIPPERER M CAT INGBUERO
Priority date: 2006-05-13
Filing date: 2006-05-13
Publication date: 2011-09-15
Anticipated expiration: 2026-05-14
Also published as: DE102006022817A1

Abstract

Vorrichtung zur kostengünstigen Probenhandhabung im Labor mit einem Arbeitsbereich für Racks, Flüssigkeitsgefäße, Mikrotiterplatten der verschiedensten Abmessungen, Ausprägungen oder andere spezielle Probenaufnahmevorrichtungen und einem (dem menschlichen Arm nachgebildeten) mindestens zweigliedrigen, horizontale Bewegungen ausführenden Schwenkarm (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenke dieser Vorrichtung von Servos (10 und 11), in Art und Ausführung wie im Modellbau verwendet, gebildet und durch diese Servos angetrieben werden und die Positionswerte dieser Servomotoren nach der einfachen Pulsbreiten-Modulation gesteuert und wiederholbar angefahren und gehalten werden können.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur kostengünstigen Probenhandhabung im Labor.
Die heutigen Forschungs- und Anwendungslabors müssen in vielfältiger Weise kleine bis kleinste Mengen Flüssigkeiten untersuchen und zu diesem Zweck dosieren, transportieren und in verschiedene Proben aufteilen. Hierzu werden hinlänglich bekannte Roboter mit mindestens einer Linearführung für die X, Y und Z-Richtung eingesetzt, welche die in Frage stehenden Flüssigkeiten aus Vorratsbehältern oder Versuchsanordnungen in Probengläschen und kleine Probenbehälter transportieren und aufteilen. Auch Proben, die mit Reagenzien, chemisch oder thermisch oder sonst wie behandelt wurden, müssen aus deren Gefäßen aufgenommen und einem entsprechenden Analysengerät in vorgegebenen Mengen zugeführt werden.
Für diese Aufgaben gibt es vielfältige kleinere und größere Roboter, die in Kombination mit Dosierpumpen oder Spritzen solche Aufgaben ausführen. Eine Marktübersicht über die bekannten Roboter ergibt, dass solche Geräte selbst am unteren Ende der Preisskala noch sehr teuer sind, weshalb in vielen kleinen Labors solche Liquid-Handling-Aufgaben noch immer von Laboranten mit der „Hand am Arm” ausgeführt werden.
Aus dem Bereich der Blechverarbeitung ist eine Transfereinrichtung bekannt, insbesondere für eine Transferpresse, mit mindestens einer Führungsschiene und einem Arm, der mindestens ein Gelenk aufweist, um Werkstücke von einer definierten Position in einer Presse zu einer anderen definierten Position in einer anderen Presse zu transportieren. Der Antrieb der Armglieder kann durch relativ kleine und leicht ausgebildete Servomotoren erfolgen. Ein Fachmann wird jedoch hierfür einen Einsatz von Servos aus dem Modellbaubereich nicht in Betracht ziehen, denn die Leistungsdaten von Servos, wie sie im Hobbybereich eingesetzt werden, liegen weit außerhalb der für eine solche Transfereinrichtung notwendigen Werte.
Die Aufgabe dieser Erfindung ist es, durch Verwendung von auf dem Hobbymarkt befindlichen Bauelementen einen in seiner Funktionsweise dem menschlichen Arm nachempfundenen sehr preiswerten Roboter zu bauen, der durch Verwendung preisgünstiger Bauteile und Verzicht auf eine oder mehrere aufwendige Linearführungen auch für kleine Labors erschwinglich ist. Selbstverständlich muss auch dieser Roboter die im Labor üblichen Gefäße und Gefäßanordnungen individuell programmierbar einzeln anfahren können und an der jeweiligen Station eine vorgegebene Menge Flüssigkeit aufnehmen oder abgeben können.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe sieht so aus, dass kleine und leichte Servos für die Drehbewegungen verwendet werden, wie sie im hochwertigen technischen Modellbau von Flugzeugen, Schiffen, Autos und dergleichen in großen Mengen eingesetzt werden und deshalb entsprechend preisgünstig zur Verfügung stehen. Erfindungsgemäß werden dazu solche Servos eingesetzt, bei denen zwischen der Steuerung und dem Servomotor die einfache Pulsbreitenmodulation verwendet wird. Dabei wird mit einer Wiederholfrequenz von etwa 50 Hz bis 100 Hz an den Motor und dessen Regelung ein pulsweitenmoduliertes Signal gesendet, dessen Pulslänge dem Positions-Sollwert der Drehbewegung entspricht. Diese Signale werden von der Servomotor-Regelung interpretiert und in die Signale für den Motor umgewandelt. Dadurch können Positionssollwerte wiederholbar angefahren und gehalten werden.
Die elektronische Regelung solcher Servos erspart aufwendige Servomotoren, die mit einer Regelungseinrichtung über Sensoren ausgestattet sind. Der bauliche und kostenmäßige Aufwand bei Verwendung der erfindungsgemäßen Modellbauservos ist um ein Vielfaches geringer, wodurch Roboter, die nach diesem Prinzip aufgebaut werden, eben wesentlich preisgünstiger sind.
Ein typischer erfindungsgemäßer Aufbau eines solchen Roboters wird in den (Hauptansicht), 3 (Aufsicht) und 4 (Seitenansicht) dargestellt. Die – sind zur besseren Übersicht zusammen in dargestellt.
Auf der Grundplatte (1) ist die Konsole (4) aufgebaut, welche die notwendige kleine Elektronik (2) flüssigkeitsgeschützt verdeckt beinhaltet. Sie verfügt bei Bedarf über geeignete Schnittstellen zur Verbindung mit einem PC, Pumpen, Analysegeräte und dergleichen. An dieser Konsole (4) ist die Stativstange (5) senkrecht montiert. Im oberen Bereich dieser Stativstange (5) ist der Schwenkarm (6) höhenverstellbar montiert. Dieser Schwenkarm (6) besteht aus Höhenverstellglied (7) mit Feststellschraube (21), Gelenkarm A (8) und Gelenkarm B (9) sowie dem Servo A (10) zur Bewegung des Gelenkarms A (8) und Servo B (11) zur Bewegung von Gelenkarm B (9). Der durch die beiden Gelenkarme A (8) und B (9) beschriebene Arbeitsbereich (14) ist mit einer punktierten Linie dargestellt. Innerhalb dieses Arbeitsbereiches (14) ist auf der Grundplatte (1) beispielhaft eine Probenaufnahme (3) dargestellt. Hier können Mikrotiterplatten (MTP) oder Racks für Flüssigkeitsgefäße der verschiedensten Abmessungen und Ausprägungen verwendet sein.
zeigt schematisch die Geometrie der beiden Gelenkarme A (8) und B (9) mit dem Drehpunkt (10.1) für Gelenkarm A (8) und dem Drehpunkt (11.1) für Gelenkarm B (9). Jede Position innerhalb des Arbeitsbereiches (14) ist durch je einen Winkel α und β definiert. Dargestellt sind zwei verschiedene Positionen P1 und P2 des Schwenkarms (6). Jeder Punkt innerhalb des Arbeitsbereiches kann im Teach-in Verfahren manuell angefahren, die zugehörigen Winkel α und β erfasst und in Elektronik (2) abgespeichert werden. Alternativ können zuvor ermittelte Winkelwerte für α und β über das Befehls- und Dateneingabe-Gerät (13) direkt eingegeben und so die entsprechenden Positionen angefahren werden.
Üblicherweise sind die Flüssigkeitsgefäße in der Probeaufnahme (3) kartesisch angeordnet. Deshalb können die Koordinaten der Mittelpunkte der einzelnen Flüssigkeitsgefäße auch alternativ zur Winkeleingabe als Koordinaten x und y eingegeben oder als Δx und Δy von jeweiligen Ausgangspositionen vorgegeben werden. Die Elektronik (2) rechnet dann diese Eingaben in die Winkelfunktionen um.
zeigt, in Erweiterung der oben beschriebenen typischen Ausführungsform der Erfindung, eine Haltevorrichtung (19) für die Flüssigkeitsleitung (12), welche mit einem kleinen elektrisch gesteuerten Umschaltventil (20) ausgerüstet ist. Hierdurch kann der Zeitpunkt der Flüssigkeitsabgabe oder -aufnahme elektrisch gesteuert werden.
In ist eine weitere Ausbildung der Erfindung dargestellt, in welcher die Flüssigkeitsleitung (12) mit Haltevorrichtung (19) zur gezielten Aufnahme oder Abgabe von Flüssigkeiten durch einen weiteren Servo (18) in der vertikalen Richtung bewegt werden kann.
In ist eine Kombination von Ventil (20) und weiterem Servo (18) zur Ausführung der vertikalen Bewegung dargestellt. Diese Anordnung ist z. B. für das volumengenaue Aufnehmen von Proben aus Probengläschen von großem Vorteil.
In und ist das Befehls- und Dateneingabegerät (13) beispielhaft dargestellt. Es ist in die Konsole (4) fest eingebaut oder als Remote-Einheit ausgebildet. Es ist mit der Elektronik (2) über eine Schnittstelle verbunden. In einem mehrzeiligen Display (15) werden durch Drehen am Knopf (16) und Betätigen von Tasten (17) die verschiedenen Daten und Befehle eingegeben. Diese können in einer Datei gespeichert und später wieder für zu wiederholende Aufgaben aufgerufen werden.
zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung. Hier ist der Servo A (10) in der Konsole (4) eingebaut und dreht die Stativstange (5), welche rund oder vielkantig ausgeführt sein kann.
Im oberen Bereich dieser Stativstange (5) ist an diese unmittelbar der Gelenkarm A (8) höhenverstellbar aber verdrehsicher montiert. Der Gelenkarm B (9) ist über den Servo B (11) an Gelenkarm A (8) drehbar gelagert. Es ergibt sich der gleiche Arbeitsbereich (14) wie in den , und dargestellt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass einfache Arbeiten im Labor nicht mehr von einem menschlichen Arm, sondern von einem armähnlichen kleinen Laborroboter ausgeführt werden. Körperliche Ermüdung, Schmerzen einiger dauernd betätigter Muskeln, Konzentrationsstörungen und dadurch verursachte Fehler in der Analyse werden systematisch ausgeschaltet. Der hierfür notwendige Kostenaufwand ist wesentlich geringer als bei im Labor jetzt vorhandenen XYZ-Robotern und außerdem ist der Platzbedarf für das erfindungsgemäß gebaute Gerät sehr gering und die mit dem Gerät mitgelieferte Elektronik erlaubt das einfache Umstellen auf verschiedene Probenaufnahme-Gefäße. Kurzum: Das nervtötende tägliche Dosieren, Pipetieren, Verdünnen kann preiswert und einfach automatisiert werden.

Claims

Vorrichtung zur kostengünstigen Probenhandhabung im Labor mit einem Arbeitsbereich für Racks, Flüssigkeitsgefäße, Mikrotiterplatten der verschiedensten Abmessungen, Ausprägungen oder andere spezielle Probenaufnahmevorrichtungen und einem (dem menschlichen Arm nachgebildeten) mindestens zweigliedrigen, horizontale Bewegungen ausführenden Schwenkarm (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenke dieser Vorrichtung von Servos (10 und 11), in Art und Ausführung wie im Modellbau verwendet, gebildet und durch diese Servos angetrieben werden und die Positionswerte dieser Servomotoren nach der einfachen Pulsbreiten-Modulation gesteuert und wiederholbar angefahren und gehalten werden können.
Vorrichtung zur kostengünstigen Probenhandhabung im Labor mit einem Arbeitsbereich für Racks, Flüssigkeitsgefäße, Mikrotiterplatten der verschiedensten Abmessungen, Ausprägungen oder andere spezielle Probenaufnahmevorrichtungen und einem (dem menschlichen Arm nachgebildeten) mindestens zweigliedrigen, horizontale Bewegungen ausführenden Schwenkarm (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenke dieser Vorrichtung von Servos (10 und 11), in Art und Ausführung wie im Modellbau verwendet, angetrieben werden und die Positionswerte dieser Servomotoren nach der einfachen Pulsbreiten-Modulation gesteuert und wiederholbar angefahren und gehalten werden können, wobei der zur Bewegung von Gelenkarm A (8) eingesetzte Servo A (10) in die Konsole (4) eingebaut ist und die Stativstange (5) von dort antreibt.
Vorrichtung nach den Patentansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Gelenkarm B (9) ein weiterer erfindungsgemäßer Servo angebracht ist, der zur gezielten Aufnahme oder Abgabe von Flüssigkeiten die Flüssigkeitsleitung (12) in vertikaler Richtung auf und ab bewegen kann.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Gelenkarm B (9) ein elektrisches Umschaltventil (20) angebracht ist, mit welchem der Zeitpunkt der Flüssigkeitsabgabe oder -aufnahme elektronisch gesteuert werden kann.
Vorrichtung nach den Patentansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Konsole (4) eine spezielle Elektronik zu geordnet ist, die jeden Punkt des Arbeitsbereiches (14) erfasst und die jeweiligen Winkelwerte α und β der beiden Servomotoren A (10) und B (11) speichern und alternativ die Koordinaten x und y bzw. Δx und Δy in die Winkelwerte α₁ und β₁ sowie α₂ und β₂ umrechnen und speichern kann.
Vorrichtung nach den Patentansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Konsole (4) fest oder als Remote-Einheit ein Befehls- und Dateneingabe-Gerät angeschlossen ist, welches mit der Elektronik (2) verbunden und über ein Display (15), Tasten (17) und andere Bedienelemente (16) verfügt, worüber die verschiedenen Daten, Koordinaten und Befehle eingegeben, gespeichert und wieder aufgerufen werden können.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass über die Elektronik (2) und/oder das Befehls- und Dateneingabe-Gerät (13) auch Befehle Aufnahme und Abgabe von Koordinaten-zugeordneten Flüssigkeitsmengen gegeben werden können.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkarm (6) höhenverstellbar aber verdrehsicher an der Stativstange (5) mittels Feststellschraube (21) befestigt ist.