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Die Erfindung betrifft einen Mikrogreifer mit (a) einem ersten Greifarm, der eine erste Greifbacke und zumindest eine erste Deformationszone aufweist, (b) einem zweiten Greifarm, der eine zweite Greifbacke aufweist, und (c) einem Antrieb zum Bewegen zumindest eines Greifarms, sodass ein Objekt mit einer Greifkraft greifbar ist. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen der Greifkraft eines derartigen Mikrogreifers.
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Präzise und geschickte Mikromanipulation ist in vielen Anwendungsbereichen wichtig. So werden Mikrogreifer beispielsweise in der minimal-invasiven Chirurgie, der Mikromontage, der In-vitro-Fertilisation oder zur mechanischen Charakterisierung von Zellen eingesetzt. Damit der Mikrogreifer einerseits kleine Objekte, wie beispielsweise Zellen, sicher ergreift und diese andererseits nicht durch eine zu große Greifkraft zerstört, ist die Bestimmung der Greifkraft und die dadurch ermöglichte Regelung der Greifkraft besonders wichtig.
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Es ist bekannt, Greifarme mit Deformationszonen zu versehen, in denen sich beim Aufbringen der Greifkraft die elastische Deformation konzentriert. In den Deformationszonen werden dehnungssensitive Elemente vorgesehen, die von der Greifkraft hervorgerufene Dehnung in ein messbares Signal umwandeln, beispielsweise in eine mechanische Spannung. Bei diesen dehnungssensitiven Elementen kann es sich beispielsweise um einen metallischen Leiter handeln, der mittels Dünnschichttechnologie auf den Greifarm in der Deformationszone aufgebracht wird. Nachteilig an derartigen Mikrogreifern ist deren aufwendige Fertigung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nachteile im Stand der Technik zu vermindern.
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Die Erfindung löst das Problem durch einen gattungsgemäßen Mikrogreifer, bei dem der erste Greifarm zumindest eine erste Markierung und eine Positionsmessvorrichtung zum Messen einer Position der Markierung aufweist und die zumindest eine erste Markierung so angeordnet ist, dass aus deren Position die Greifkraft berechenbar ist. Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein Verfahren zum Messen der Greifkraft eines derartigen Mikrogreifers mit den Schritten (a) Erfassen der zumindest einen Position der zumindest einen Markierung und (b) Berechnen der Greifkraft aus der zumindest einen Position.
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Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass der Mikrogreifer vergleichsweise einfach aufgebaut ist. So ist es möglich, die Markierungen einfach auf den Greifarm aufzubringen, beispielsweise durch Ätzen oder Ritzen. Das Aufbringen von metallischen Beschichtungen für Dehnungselemente ist damit entbehrlich.
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Es ist ein weiterer Vorteil, dass der Mikrogreifer beziehungsweise die Greifarme aus einer Vielzahl an Materialien gefertigt werden können. Es ist möglich, die Greifarme aus Metall auszubilden, dabei kann das Metall so gewählt werden, dass es der jeweiligen Aufgabe des Mikrogreifers besonders gut entspricht. Beispielsweise kann ein Edelmetall verwendet werden, wenn sichergestellt werden soll, dass der Mikrogreifer chemisch inert ist. Alternativ ist aber auch möglich, dass zumindest Teile des Mikrogreifers, beispielsweise Teile des Greifarmes oder der gesamte Greifarm, aus nicht-metallischem Material aufgebaut ist. Beispielsweise kann zumindest einer der Greifarme ganz oder teilweise aus einer Keramik, einem Kunststoff, oder einem Kristallinen Metall aufgebaut sein. Beispielsweise kann zumindest einer der Greifarme ganz oder teilweise aus einem transparenten Material aufgebaut sein, wenn es vorteilhaft ist, das zu greifende Objekt, beispielsweise eine Zelle, während des Greifens zu beobachten oder mit Licht zu bestrahlen.
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Es ist ein weiterer Vorteil, dass ein derartiger Mikrogreifer so aufgebaut sein kann, dass er das zu greifende Objekt besonders wenig beeinflusst. So ist es möglich und gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass beide Greifarme aus nur einem und dem gleichen Material aufgebaut sind. Das stellt sicher, dass beispielsweise keine chemische Verunreinigung des zu greifenden Objekts befürchtet werden muss. Das ist bei Greifern nach dem Stand der Technik, die einen Schichtsensor zum Bestimmen der Dehnung aufweisen, anders, da in diesem Fall nicht nur das Material inert sein muss, aus dem der Greifer aufgebaut ist, es muss zusätzlich sichergestellt sein, dass auch das Material des Dünnschichtsensors inert ist.
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Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Mikrogreifer insbesondere eine Vorrichtung verstanden, die ausgebildet ist zum Halten eines Objekts mit einem Durchmesser von weniger als 500 µm, insbesondere weniger als 100 µm, ohne dass dieses Objekt zerstört wird. Insbesondere ist der Mikrogreifer ausgebildet zum Halten einer menschlichen oder tierischen Zellen oder eines Bakteriums, ohne dass das jeweils gehaltene Objekt durch eine zu große Greifkraft zerstört wird.
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Unter dem Greifarm wird insbesondere diejenige Struktur verstanden, die mittels des Antriebs bewegbar ist, sodass das zu greifende Objekt gegriffen und losgelassen werden kann.
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Unter dem Antrieb wird insbesondere diejenige Vorrichtung verstanden, mittels der die Greifarme so bewegt werden können, dass ein Objekt gegriffen oder losgelassen werden kann.
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Unter einer Markierung wird insbesondere eine Struktur verstanden, die so ausgebildet ist, dass sie mittels der Positionsmessvorrichtung ermittelbar ist. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass die Markierung durch die Form des Greifarms gebildet ist. Insbesondere ist die Markierung eine Struktur, die außer der Funktion, ihre Position leicht erfassbar zu machen, keine weitere Funktion hat.
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Unter der Position der Markierung werden insbesondere die Koordinaten der Markierung in einem vorliegenden Koordinatensystem verstanden. Es ist möglich dass dieses Koordinatensystem ein ortsfestes Koordinatensystem, beispielsweise dass der Positionserfassungsvorrichtung oder einer Kamera der Positionserfassungsvorrichtung ist. Alternativ ist aber auch möglich, dass das Koordinatensystem ein relatives Koordinatensystem ist, dessen Ursprung beispielsweise in einer Markierung liegt. Maßgeblich ist, dass aus der Position der Markierung auf die Greifkraft geschlossen wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat der zweite Arm zumindest eine zweite Deformationszone und weist zumindest eine zweite Markierung auf. In diesem Fall ist die Positionsmessvorrichtung zum Messen der Position der beiden Markierungen ausgebildet. Besonders günstig ist es, wenn der Mikrogreifer vier oder mehr Markierungen aufweist. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn jeder Greifarm zumindest zwei Markierungen besitzt. Auf diese Weise kann die Deformation besonders gut erfasst und die Greifkraft einfach und präzise bestimmt werden.
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Vorzugsweise besitzt der Mikrogreifer eine Steuereinheit, die mit der Positionsmessvorrichtung zum Erfassen der zumindest einen Position verbunden ist und ausgebildet ist zum automatischen Berechnen der Greifkraft aus der zumindest einen Position der zumindest einen Markierung. Beispielsweise handelt es sich bei der Positionsmessvorrichtung um eine Kamera. In diesem Fall ist die Positionsmessvorrichtung oder die Steuerung ausgebildet zum Berechnen der Position der Markierungen mittels Bilderkennung.
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Zum automatischen Berechnen der Greifkraft aus der zumindest einen Position der zumindest einen Markierung kann beispielsweise eine Kalibrierfunktion verwendet werden. Diese wird dadurch erhalten, dass in Vorversuchen die Greifkraft, vorzugsweise rückgeführt, gemessen wird. Zudem werden die einer vorgegebenen Greifkraft zugeordneten Positionen bestimmt. So wird ein Kennfeld erhalten, dass beispielsweise in einen digitalen Speicher der Positionsmessvorrichtung abgelegt sein kann. Es ist allerdings auch möglich, dass die Abhängigkeit der Greifkraft von der zumindest einen Position in einer mathematischen Funktion beschrieben ist, die Kalibrierparameter enthält. Die Kalibrierparameter werden in Vorversuchen ermittelt und, beispielsweise in dem digitalen Speicher, abgelegt. Anhand dieser Kalibrierparameter kann dann aus einer Position oder einer vorgegebenen Menge an Positionen eindeutig auf die Greifkraft geschlossen werden.
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Vorzugsweise weist zumindest ein Greifarm einen ersten Strang und einen zweiten Strang auf, wobei der zweite Strang entlang des ersten Strangs verläuft. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass aus der relativen Bewegung der Stränge zueinander die Greifkraft mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann. Günstig ist es, wenn die Stränge mittels zumindest eines Stegs verbunden sind. Auf diese Weise konzentriert sich die Deformation des Greifarms beim Anliegen der Greifkraft auf die Deformationszonen und aus den Positionen der Markierungen kann die Greifkraft gut berechnet werden.
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Vorzugsweise erstrecken sich die Stränge quer zu einer Greifbewegungsrichtung, entlang der sich die Greifbacken beim Greifen aufeinander zu bewegen. In anderen Worten sind die Stränge vorzugsweise schlank in der Hinsicht, dass in einer Breite parallel zur Greifbewegungsrichtung deutlich kleiner ist als ihre Länge quer dazu. Das ergibt eine geringe Biegesteifigkeit, sodass kleine Greifkräfte zu einer hinreichend großen Deformation führen, dass mit einer hohen Messgenauigkeit gemessen werden kann.
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Günstig ist es, wenn die beiden Greifarme spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet sind. Eine Spiegelebene verläuft dabei vorzugsweise zwischen den Greifbacken, wenn diese in der Ruhelage sind. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass die beiden Greifarme im streng mathematischen Sinne spiegelsymmetrisch sind. Es ist insbesondere möglich, dass die beiden Greifarme von der idealen spiegelsymmetrischen Gestalt abweichen, solange die daraus resultierenden unterschiedlichen Deformationsverhalte vernachlässigt werden können.
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Vorzugsweise ist eine Biegesteifigkeit in den Deformationszonen zumindest um den Faktor 10 vorzugsweise um den Faktor 30 größer als außerhalb der Deformationszone. In diesem Fall kann in guter Näherung davon ausgegangen werden, dass die Gesamtdeformation sich in den Deformationszonen konzentriert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit mit dem Antrieb zum Regeln der Greifkraft verbunden. Unter dem Regeln wird dabei verstanden, dass die Greifkraft kontinuierlich gemessen und der Antrieb so nachgeregelt wird, dass die gemessene Ist-Greifkraft im Rahmen eines vorgegebenen Toleranzintervalls einer vorgegebenen Soll-Greifkraft entspricht. Es handelt sich also um ein Regeln im regelungstechnischen Sinne.
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Vorzugsweise sind zumindest die Greifelemente durchsichtig. Sofern der Mikrogreifer ein Substrat aufweist, auf dem das Greifelement angeordnet ist, ist vorzugsweise auch das Substrat durchsichtig. Das hat den Vorteil, das vom Mikrogreifer gehaltene Proben, insbesondere Zellen, im gehaltenen Zustand untersucht werden können.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
- 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Mikrogreifers zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und
- 2 eine Detailansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Greifers.
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1 zeigt schematisch einen Mikrogreifer 10, der ein Greifelement 12 aufweist, mittels dem eine schematisch eingezeichnete tierische Zelle 14 gehalten wird. Das Greifelement 12 besitzt einen ersten Greifarm 16 und einen zweiten Greifarm 18. Der erste Greifarm 16 besitzt eine erste Greifbacke 20. Der zweite Greifarm 18 ist bezüglich einer Spiegelebene E (vgl. 2) spiegelsymmetrisch zum ersten Greifarm 16 aufgebaut und besitzt damit eine zweite Greifbacke 22. Zwischen den beiden Greifbacken 20, 22 ist die Zelle 14 gehalten. Die Greifbacken 20, 22 üben jeweils eine Greifkraft F20, F22 auf die Zelle aus. Die beiden Greifkräfte F20, F22 sind betragsgleich mit Betrag F und einander entgegengerichtet.
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Das Greifelement 12 besitzt einen Antrieb 24 (vgl. 2), der in zum Beispiel schematisch als Kammantrieb ausgeführt ist. Alternativ kann der Antrieb beispielsweise ein pneumatischer oder ein piezoelektrischer Antrieb sein. Mittels des Antriebs 24 können die beiden Greifbacken 20, 22 aufeinander zu bewegt werden, sodass die Greifkräfte F20, F22 aufgebracht werden können.
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1 zeigt, dass der erste Greifarm 16 eine erste Markierung 26.1 aufweist. Der zweite Greifarm 18 besitzt eine zweite Markierung 26.2, und eine vierte Markierung 26.4. Eine dritte Markierung 26.3 am ersten Greifarm 16 angebracht. Insbesondere existieren damit 4 Markierungen 26.i (i=1, 2, 3,4).
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Der Mikrogreifer 10 verfügt über eine Positionsmessvorrichtung 28, die im vorliegenden Fall eine Kamera 30 umfasst. Die Kamera 30 ist so orientiert, dass sie die Markierungen 26.i und einen Basisabschnitt 32 erfasst, der an dem den Greifbacken 20, 22 abgewandten Ende des Greifelements 12 angeordnet ist und der ortsfest relativ zur Kamera 30 befestigt ist, beispielsweise an einem gemeinsamen Gehäuse oder Rahmen. Die Kamera 30 besitzt damit ein eigenes Koordinatensystem, das schematisch eingezeichnet ist. Die Position Pi der Markierungen 26.i werden im vorliegenden Fall von der Positionsmessvorrichtung 30 in diesem Koordinatensystem mittels Bilderkennung gemessen.
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Im vorliegenden Fall sind die Markierungen 26.i gebildet durch Fadenkreuze, die bei der Herstellung der Greifarme als Struktur vorgesehen wurden. Alternativ können die Markierungen 26.i auf die jeweiligen Greifarme 16, 18 aufgeätzt werden.
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2 zeigt, dass der erste Greifarm einen ersten Strang 34 und einen zweiten Strang 36 aufweist. Die beiden Stränge sind mittels eines Stegs 38 und mittels der ersten Greifbacke 20 miteinander verbunden. Der erste Greifarm 16 besitzt zudem eine erste Deformationszone 40 und eine zweite Deformationszone 42. In den Deformationszonen 40, 42 ist der Greifarm 16 deutlich biegeelastischer als in den Bereichen dazwischen. Bewegen sich daher die Greifbacken 20, 22 in Greifbewegungsrichtung aufeinander zu, so kann aus einem Abstand A1 zwischen den beiden Markierungen 26.3 und 26.4 einerseits und einem zweiten Abstand A2 zwischen den Markierungen 26.1 und 26.2 auf die Greifkraft F= | F20 | geschlossen werden.
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1 zeigt schematisch einen digitalen Speicher 44, der Teil einer Steuereinheit 46 ist. Die Steuereinheit 46 ist mit der Positionsmessvorrichtung 28 und dem Antrieb 24 verbunden. Die Steuereinheit 40 erfasst in kurzen Zeitabständen von beispielsweise 0,1 Sekunden die Position Pi der Markierungen 26.i berechnet daraus die Ist-Greifkraft FIst und eine Abweichung zu einer Soll-Greifkraft FSoll ist die Abweichung von Null verschieden, so steuert die Steuereinheit 46 den Antrieb 24 so an, dass sich die Abweichung verringert.
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Zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Mikrogreifers kann zunächst eine Schicht aus Fotolack auf ein Substrat, beispielsweise eine Glasplatte, aufgebracht werden. Der Fotolack wird danach so belichtet, dass nach einem nachfolgenden Ätzen das Greifelement 12 übrig bleibt. Es ist möglich, zwischen dem Substrat und dem Fotolack eine Opferschicht, beispielsweise aus Kupfer, aufzubringen, die nach dem Aushärten des Fotolacks abgeätzt wird. Auf diese Weise werden einzelne Bereiche des Greifelements, insbesondere die Greifarme 16, 18, relativ zum Substrat beweglich. Ohne Opferschicht auf das Substrat aufgebrachte Bereiche, beispielsweise der Basisabschnitt 32, sind mit dem Substrat verbunden.
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Ein pneumatischer Aktor kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass ein Balg aus ausgehärtetem Fotolack auf einer Opferschicht aufgebracht wird. Der Balg ist von einem fest mit dem Substrat verbundenen Rahmen umgeben. Nach dem Entfernen der Opferschicht wird ein Deckel mit dem Rahmen verbunden. Der Balg ist innerhalb des Rahmens beweglich und kann durch einen Druckfluidanschluss durch den Deckel mit Druckfluid, insbesondere Druckgas, beaufschlagt werden, sodass er sich ausdehnt oder zusammenzieht. Dehnt er sich aus, so deformiert er eine Seite des Rahmens, was zum Bewegen eines Greifarms führt. Zwischen dem Balg einerseits und dem Deckel oder dem Substrat andererseits existiert ein Spalt. Durch den Spalt in die Umgebung des Balgs entweicht zwar beständig Druckfluid, dieses wird jedoch durch eine Entlüftungsöffnung im Deckel oder im Rahmen abgeführt. Ein für erfindungsgemäße Mikrogreifer geeignetes Herstellungsverfahren ist sind beispielsweise in der Dissertation „Entwicklung von Greifern für die automatisierte Montage hybrider Mikrosysteme“ von S. Bütefisch, Berichte aus der Mikro- und Feinwerktechnik, Band 11, beschrieben.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Mikrogreifer
- 12
- Greifelement
- 14
- Objekt, Zelle
- 16
- erster Greifarm
- 18
- zweiter Greifarm
- 20
- erste Greifbacke
- 22
- zweite Greifbacke
- 24
- Antrieb
- 26
- Markierung
- 28
- Positionsvorrichtung
- 30
- Positionsmessvorrichtung, Ka-mera
- 32
- Basisabschnitt
- 34
- erster Strang
- 36
- zweiter Strang
- 38
- Steg
- 40
- erste Deformationszone
- 42
- zweite Deformationszone
- 44
- digitaler Speicher
- 46
- Steuereinheit
- A
- Abstand
- E
- Spiegelebene
- F
- Greifkraft
- P
- Position
- R
- Greifbewegungsrichtung
