JP2005181135A - ロボットアームを備えた自動分注装置、及びその動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 分注機構を備えた関節式ロボットアームの位置精度を向上する。
【解決手段】 以下の構成を含む自動分注装置；
試料が投入される投入孔を有し複数の試料を保持できる試料容器を配置できる試料容器配置機構；
試料を吸引・吐出できる分注機構と、２以上のアームを軸を介して連結する関節部を有し、
所定の試料容器へノズルを移動し、所定の試料を吸引し、
目標と所定関係を有する位置にノズルを移動し、ノズル位置を確認し、
目標と所定関係を有する位置にノズルが存在する場合は、ノズルを投入孔へ移動し、投入孔へ試料を吐出し、
目標と所定関係を有する位置にノズルが存在しない場合は、吐出を回避するロボットアーム。
【選択図】 図４

Description

本発明は、ロボットアームを備えた自動分注装置、及びその動作方法に関する。例えば、精製されたＤＮＡ試料の一塩基多型(ＳＮＰ)解析をする装置に関する。

下記特許文献１には、ロボットアームを備えた自動分注装置が開示されている。このロボットアームは、２つの回転軸を有し、先端アームにピペットを装着できる。

特開平６-２８９０３２号号公報

軸を介してアームを連結する関節式ロボットアームを自動分注装置への採用に関し、発明者は次のように考えた。関節式ロボットアームにおいて、アーム角度の誤差により、アーム位置を正確に制御できない場合がある。例えば、アーム長さが２０センチの場合、アームを回転させる駆動機構にガタが生じ、アーム角度に僅か1°の誤差が生じても、アーム先端位置は数センチずれる。このため、分注機構を備えた関節式ロボットアームを自動分注装置に利用した場合、アーム位置の制御ミスから予定外の試料を吸引したり、予定外の場所に試料を吐出する可能性がある。試料の吸引・吐出が確実に行われないと、試料のコンタミネーションや、測定ミス等を招く。当然、このような自動分注装置は役に立たない。

本発明の目的は、分注機構を備えた関節式ロボットアームの位置精度向上に関する。

本発明は、分注機構を備えた関節式ロボットアームにおいて、試料を吸引した後に、分注機構の位置を確認し、その後、試料を吐出することに関する。分注機構の位置が正確ではない場合、所定外の試料を吸引してしまった虞があり、また、所定外の場所に試料を吐出する虞もあり、このまま作業を進めると分注ミスを招来する可能性がある。しかし、本発明により、このような分注ミスを回避できる。例えば、ユーザーがロボットアームに触れ、ロボットアームが少し動いたとしても、分注作業の信頼性は確保されている。

また、本発明は、分注機構を備えた関節式ロボットアームの位置合わせにおいて、関節部を位置合わせした状態で、先端アームを位置合わせすることに関する。先端アームのみで位置合わせする場合と比較し、関節部の不安定さが解消される為、容易かつ正確に位置合わせを行える。

また、本発明は、分注機構を備えた関節式ロボットアームの関節式ロボットアームにおいて、軸、アーム同士の接触面及び／又は関節部に、軸方向の回転を阻害する摩擦力を増大させる処理を施すことに関する。これにより、アームのぶらつき等が回避でき、位置精度を向上できる。

また、本発明は、分注機構を備えた関節式ロボットアームの関節式ロボットアームにおいて、先端アームと、それに連結したアームのなす角度を６０度以下とした後に、アームを動かすことに関する。ロボットアームの移動面積が小さくなり、ロボットアームや試料容器を小さな密閉空間内に納め、外部と隔離できる。これにより、外部とのコンタミネーションを抑止した、コンパクトな自動分注装置を実現できる。

本発明により、関節式ロボットアームを備えた自動分析装置の信頼性が高まる。

以下、本発明の核酸分析装置について、特にＳＮＰ解析装置を例にとり、図面を参酌して説明する。ただし、図面はもっぱら解説のためのものであって、この発明の範囲を限定するものではない。

本発明の核酸分析装置では、例えば、アフィメトリックス社製ＤＮＡチップに代表される一般的なＤＮＡチップが分析対象とされる他、ナノチップと呼ばれる半導体チップも好適に分析対象とされる。ナノチップとは、マトリックス状に電極が配置され、その表面が透過層構造にてコーティングされた半導体チップであり、ユーザが所望のオリゴヌクレオチド−アレイを構築し、そのオリゴヌクレオチド−アレイに試薬をスパイクして、ＰＣＲ生成物であるサンプルを分析する。一般的なＤＮＡチップの場合、ＤＮＡチップメーカが、既知の塩基配列を有するオリゴヌクレオチド−アレイを備えるＤＮＡチップを供給する。このＤＮＡチップは、ガラス基板等を用い、ガラス基板の所定位置に、オリゴヌクレオチドの前駆体である４種類の塩基（Ａ、Ｇ、Ｃ、Ｔ）を配置し、オリゴヌクレオチド−アレイを形成する。つまり、ガラス基板上でオリゴヌクレオチドを伸長させ、オリゴヌクレオチド−アレイを作成する。一方、ナノチップでは、寒天質の透過層構造に表面が覆われた半導体チップを用い、この透過層構造に、予め作成した核酸を固定することで、核酸アレイを構成する。

図１は、本実施例にかかるＤＮＡチップを用いるＳＮＰ解析装置の分解斜視図である。以下、図１を参照して、ＳＮＰ解析装置の概要を説明する。

ＳＮＰ解析装置は、主にＤＮＡのＳＮＰを検出することを目的としている。ＳＮＰはSingle Nucleotide Polymorphismの略で一塩基多型と呼ばれ、一塩基だけ異なる遺伝子のことを指す。このＳＮＰが病気と関連していると考えられ、さまざまな病気と関連するＳＮＰの探索が精力的に行われている。

本ＳＮＰ解析装置の最終的な出力は、次の３状態である。サンプルＤＮＡにおいて着目するＳＮＰが両対立遺伝子で存在する、又は存在しない状態（ホモ）と、片方の対立遺伝子のみに存在する状態（ヘテロ）である。これらを判定する方法として、例えば、着目するＳＮＰを持つサンプルと反応し結合する（ハイブリダイズする）試薬を第1番目の蛍光色素により標識しておき、それを持たないサンプルとハイブリダイズする試薬を第１番目とは励起波長、蛍光波長の異なる第２番目の蛍光色素により標識しておく。サンプルＤＮＡに対し前記両試薬を反応させる。第１番目と第２番目の蛍光色素からの蛍光を検出し、それぞれの検出強度の比を求める。この比をもとに、着目するＳＮＰに対する前記３つの状態を判定する。

ここで、上記ナノチップを用いたＰＣＲ生成物であるサンプルを分析する手順を説明する。分析手順は、”Amplicaon Down Format”と”Capture Down Format”の２種類がある。

Amplicaon Down Formatでは、まず、半導体チップ上に、一部の塩基配列が不明であり、一端がビオチン化された分析対象ＰＣＲ生成物（Sample Oligos）を供給し、半導体チップ上の所定の電極に電圧を印可する。すると、そのSample Oligosは、当該電極に引き寄せられ、半導体チップ表面の透過層構造と接触する。そして、Sample Oligosのビオチン標識と透過層構造が反応し（avidin-biotin反応）、Sample Oligosは透過層構造に固定される。半導体チップ表面を洗浄し、別のSample Oligosを用いて上述の工程を繰り返すことにより、半導体チップ上に、Sample Oligosから成る所望のオリゴヌクレオチド−アレイを形成する。Sample Oligosがマトリックス状に配置されたオリゴヌクレオチド−アレイを形成した後、その上に、一端が蛍光標識されたオリゴヌクレオチド（Reporter Oligos）を供給する。Reporter Oligosは、相補的配列を有するSample Oligosとハイブリダイズする。半導体チップ表面を洗浄後、半導体チップ上に励起光を照射する。これにより、Sample OligosとハイブダイズしたReporter Oligosから蛍光が発生する。この蛍光パターンを検出し、解析することで、Sample Oligosの塩基配列を分析することができる。

一方、Capture Down Formatでは、まず、半導体チップ上に、既知の塩基配列を有し、一端がビオチン化されたオリゴヌクレオチド（Capture Oligo）を供給し、半導体チップ上の所定の電極に電圧を印可する。すると、そのCapture Oligoは、当該電極に引き寄せられ、半導体チップ表面の透過層構造と接触する。そして、Capture Oligoのビオチン標識と透過層構造が反応し（avidin-biotin反応）、Capture Oligoは透過層構造に固定される。半導体チップ表面を洗浄し、別のCapture Oligoを用いて上述の工程を繰り返すことにより、半導体チップ上に、Capture Oligoから成る所望のオリゴヌクレオチド−アレイを形成する。Capture Oligoがマトリックス状に配置されたオリゴヌクレオチド−アレイを形成した後、その上に、一部の塩基配列が不明である分析対象ＰＣＲ生成物（Sample Oligos）を供給する。Sample Oligosは、相補的配列を有するCapture Oligoとハイブリダイズする。これにより、Sample Oligosは、Capture Oligoを介して、半導体チップ上に固定される。半導体チップ表面を洗浄し、一端が蛍光標識されたオリゴヌクレオチ（Reporter Oligos）を供給する。Reporter Oligosは、相補的配列を有するSample Oligosとハイブリダイズする。半導体チップ表面を洗浄後、半導体チップ上に励起光を照射する。これにより、Sample OligosとハイブリダイズしたReporter Oligosから蛍光が発生する。この蛍光パターンを検出し、解析することで、Sample Oligosの塩基配列を分析することができる。

ＳＮＰ解析装置は主に、分注ユニット、流路系ユニット、インターフェイスユニット、光学系ユニットおよび電源ユニットから構成され、図示しない外部機器（ＰＣ）により制御される。ＳＮＰ解析装置は、ＤＮＡチップを備えたカートリッジを装着し、分析を行う。カートリッジは、その内部に半導体素子からなるＤＮＡチップを配置したフローセルを内蔵している。ＤＮＡチップは、最大４００の核酸プローブを所定位置に配置し、所望のプローブアレイを構築できる。尚、ＤＮＡチップ上への核酸プローブの貼り付けから、測定までを自動で行え、オペレータがサンプル毎に装置を操る必要はない。例えば、９６個のサンプルの分析は、およそ３時間で行える。

ＳＮＰ解析装置（１０１）は、トップカバー（１０２）、カバー（１０３）、装置本体（１０４）、フロントパネル（１０５）から成る。

分注ユニットは、サンプルや試薬を配置保管できるサンプルハンドリングステーション（１０６）と、サンプル及び試薬を所定位置へ搬送するためのロボットアーム（１１２）を含む。サンプルハンドリングステーション（１０６）は、サンプルや試薬が入っているサンプルトレイ（１１１）を２つ、Ｒｅａｇｅｎｔボトルを４つ搭載できる。また、反応酵素を冷却保管できる反応酵素冷却部を備えている。そして、溶液を吸引吐出できるプローブチップを備えたロボットアーム（１１２）を用い、所定のサンプルや試薬を分注し、注入ポートに投入できる。

流路系ユニットは、３台のシリンジポンプを駆動し、注入ポートから投入されたサンプルや試料、水ボトルに蓄えられた水等を、自動的にフローセル内のＤＮＡチップへ搬送できる。また、洗浄ポートによりプローブチップを洗浄したり、フローセル内や流路を洗浄できる。更に、装置内から生じた廃液を、装置外に配置された廃液ボトルへ排出できる。

インターフェイスユニットはカートリッジを着脱保持でき、カートリッジにニードルを挿入し、ニードルを介して流路接続できる。これにより、所定のサンプルや試薬をフローセル内に搬送することが可能となる。また、ＤＮＡチップと電気的接続することにより、核酸プローブの配置場所等を制御可能とする。更に、ＤＮＡチップと熱的接続することにより、フローセル内の温度を制御可能とする。

光学系ユニットは、ＤＮＡチップ上に存在する蛍光試薬を励起できる光源と、蛍光試薬から生じた蛍光を検出できる検出器を含み、ＤＮＡチップ上の画像を出力できる。

電源ユニットは、各ユニットへ駆動電力を供給し、電源電圧として、１００、１１０、１２０、２００、２２０、２３０、２４０ＶＡＣが使用可能であり、電流値は４Ａ以下で、周波数は５０／６０Ｈｚに対応している。

ＳＮＰ解析装置（１０１）の装置側面には外部機器接続部（１１０）が配され、図示しないパーソナルコンピュータ（ＰＣ）及びバーコードリーダーを接続できる。ＰＣは、ＳＮＰ解析装置（１０１）の操作、測定結果の表示、解析、保存を担う。ＳＮＰ解析装置（１０１）とＰＣはイーサネットによって接続される。ハブを介することで１台のＰＣが最高４つのＳＮＰ解析装置（１０１）を操作することも可能である。また、バーコードリーダーは、サンプルの入ったサンプルトレイやカートリッジに貼付されたバーコードを読み取り、PCへ送信することで測定されるサンプル、試薬、カートリッジの管理を容易にする。

図２は、本実施例のＳＮＰ解析装置の概略図である。以下、図２を参照して装置全体の機構部を説明する。尚、図２では、装置本体にカートリッジ（２１８）が挿入され、装置本体とフローセル（２１９）がニードル（２１１）により接続された状態を示している。

流路系ユニットは、ロボットアーム（２０４）のプローブチップ（２０５）、水ボトル（２０１）、ヒスチジンボトル（２０２）、廃液ボトル（２０３）、水ポンプ（２０６）、ヒスチジンポンプ（２０７）、カートリッジポンプ（２０８）、洗浄ポート（２０９）、注入ポート（２１０）、及びニードル（２１１）が複数の流路で結ばれた構造となっている。

プローブチップ（２０５）は、サンプル及び溶液を吸引吐出する配管が接続され、ロボットアーム（２０４）によりその先端を所定位置に移動させることができる。そして、サンプルハンドリングステーション上に配置されたサンプルトレイ、Ｒｅａｇｅｎｔボトル及び反応酵素冷却部から、所定のサンプルや試薬を分注し、注入ポートへ投入できる。ここで、注入ポート（２１０）は、サンプル及び溶液をカートリッジ（２１８）内フローセル（２１９）に送り込む前に存在するポートタンクである。注入ポート（２１０）は、40℃から60℃の範囲で温度制御可能である。導入試料温度とカートリッジ内温度が異なる状態で試料を導入するとスパイクノイズが発生するが、注入ポート（２１０）より試料導入前に温調することで、スパイクノイズを軽減できる。また、プローブチップ（２０５）は、洗浄ポート（２０９）において洗浄することができる。

水ポンプ（２０６）は、水ボトル（２０１）からプローブチップ（２０５）に水を送ること、プローブチップ（２０５）によりサンプル及び試料の吸引・吐出を行うこと、廃液ボトル（２０３）に溶液を送ることができる。

また、ヒスチジンポンプ（２０７）は、ヒスチジンボトル（２０２）からヒスチジンを注入ポート（２１０）に送ること、水ボトル（２０１）から注入ポート（２１０）に水を送ること、注入ポート（２１０）に空気を送ること、廃液ボトル（２０３）にシリンジ内溶液を送る事ができる。

また、カートリッジポンプ（２０８）は、注入ポート（２１０）からカートリッジ（２１８）内フローセル（２１９）に溶液及び空気を送ること、カートリッジ（２１８）内のフローセル（２１９）からカートリッジポンプ（２０８）に溶液及び空気を送ることができる。
装置内で生成された廃液は、接続部を介して着脱可能に搭載されている装置外部の廃液ボトル（２０３）へ排出できる。

水ポンプ（２０６）とカートリッジポンプ（２０８）を駆動することにより、注入ポートに投入された試薬や洗浄液を、カートリッジ流路を介して、フローセル（２１９）内へ搬送できる。カートリッジ流路は、ヒスチジンポンプ（２０７）とカートリッジポンプ（２０８）を駆動することにより、ヒスチジンによって洗浄される。ヒスチジンポンプ（２０７）から注入ポート（２１０）及びカートリッジポンプ（２０８）までの流路は、ヒスチジン溶液から水に置換できる構造と成っている。水により流路を洗浄することでヒスチジン溶液が流路配管内に析出することを回避している。

尚、水ボトル（２０１）とヒスチジンボトル（２０２）には、それぞれと１Ｌの水とヒスチジンを入れることが可能である。この為、９６サンプルの貼り付けから測定までの間、水やヒスチジンをユーザーが追加する必要がない。

インターフェイスユニットは、カートリッジ（２１８）内のフローセル（２１９）と装置本体を結ぶ流路となるニードル（２１１）、カートリッジ冷却ペルチェ（２１２）、およびポゴピン（２１３）を含んでいる。カートリッジ冷却ペルチェは、カートリッジと接触し、フローセル（２１９）の温度を制御できる。ポゴピン（２１３）は、カートリッジ（２１８）に設けられた端子に接続され、装置本体とＤＮＡチップの電気的接続を行う。ポゴピン（２１３）の本数は、１２本と少数である為、カートリッジへの接続が容易となっている。

光学系ユニットは、ＣＣＤカメラ（２１４）、ＥＭフィルタ（２１５）、ＥＸフィルタ（２１６）、及びＬＥＤ（２１７）を含む。ＬＥＤ（２１７）は、ＥＭファイル（２１５）により波長特性でフィルターされ、フローセル（２１９）内のＤＮＡチップ上の蛍光体に光を照射できる。蛍光体から生じた蛍光は、ＥＸフィルター（２１６）により波長特性でフィルターされ、フローセル（２１９）の映像はＣＣＤカメラ（２１４）により取得される。光源としてＬＥＤ（２１７）を使用しており、光源の寿命は従来のレーザーの場合より十分長くい為、装置寿命中の光源交換作業を回避でき、メンテナンスが容易となる。

図３は、サンプルハンドリングステーションの上面図である。以下、図３を参照してサンプルプレートやＲｅｇｅｎｔボトル等の配置を説明する。
Ｒｅａｇｅｎｔボトル１−４（３０１）は、Ｌｏｗ Ｓａｌｔ Ｂｕｆｆｅｒ、ＨｉｇｈＳａｌｔ Ｂｕｆｆｅｒ、ＮａＯＨが挿入される位置である。反応酵素冷却部（３０２）は、反応酵素を冷却しておくためのペルチェブロックであるキャリブレーションポイント（３０３）は、ロボットアームのキャリブレーションを確認するための点である。洗浄ポート（３０４）は、プローブチップを洗浄するためのポート。廃液ドレイン（３０５）は、プローブチップ洗浄時に溢れ出た廃液を廃液ボトルへ導くドレイン。注入ポート（３０６）は、プローブチップによってサンプル及びＢｕｆｆｅｒなどを吐き出されるポートである。サンプルトレイ台１（３０７）は、ＮＵＮＣ３８４、ＡＢＩ９６ｗｅｌｌプレート、ＮＵＮＣ９６Ｖ及びＮＵＮＣ９６Ｕが設置される台であり、逆差防止機能を備えている。サンプルトレイ台２（３０８）は、ＮＵＮＣ９６Ｖ及びＮＵＮＣ９６Ｕプレートが設置される台であり、逆差防止機能を備えている。トップカバードアセンサー（３０９）は、ドアが開けられた場合センサーによって感知し、外部接続されたＰＣにその旨を知らせることができる。ＬＥＤ（３１０−３１６）は、バーコードリーダーによってバーコードが読まれた時に、置くべき位置を知らせるためにＬＥＤが点灯し、正しく設置された場合にはＬＥＤランプが消えることと成っている。

注入ポート（３０６）から洗浄ポート（３０４）へ、ロボットアームを移動させる場合に、ロボットアームのアーム１のみが動けばよい配置となっているので、装置スループットを短くする様にできている。

図４は、ロボットアームの概略を示す図である。以下、図４を参照してロボットアームの概略図を説明する。

ロボットアームは、アーム１（４０１）とアーム２（４０４）を持った多関節ロボットアームである。
アーム１（４０１）の先端部には、プローブチップがアーム１（４０１）に対して垂直に接続されている。また、プローブチップに接続されている配管は、アーム１（４０１）とアーム２（４０４）中を通って、アーム２（４０４）中の配管・配線出口（４１０）よりアーム２（４０４）から出される。アーム１（４０１）の位置出しを行うためのフォトインターラプタ（アーム１ＰＩ（４０２））が、アーム１（４０１）とアーム２（４０４）の関節部に備えて有る。アーム１ＰＩ（４０２）の検知板は、円盤型をしている。アーム２（４０４）中に入っているアーム１モーター（４０３）によってアーム１（４０１）は、動かされる。

Ｚモーター（４０９）によって、ボールねじスプライン（４０７）が上下することで、アーム１（４０１）とアーム２（４０４）が上下し、アーム１（４０１）に接続されているプローブチップ先端が上下することになる。Ｚ方向の位置出しを行うためのフォトインターラプタ（ＺＰＩ（４０８））は、Ｚ方向上下移動範囲の上部に位置する。

アーム２モーター（４０６）とＺモーター（４０９）を同期させて動かすことで、アーム２（４０４）を移動させる。アーム２（４０４）の位置出しを行うためのフォトインターラプタ（アーム２ＰＩ（４０５））は、ボールねじスプライン（４０７）側に設置してある。アーム２ＰＩ（４０５）の検知板は、円盤型をしている。

プローブチップの移動範囲に比べて、ロボットアームの底面積が小さくできているため、装置内のロボットアーム取り付け部を小さくすることができ、装置全体の体積を小さくしている。

図５は、ロボットアームの断面図である。以下、図５を参照してロボットアームの断面図を説明する。

ギヤヘッドが装着したアーム１モーター（５０１）に接続されているアーム１プーリ（５０２）とジョイントシャフト（５０５）に接続されているジョイントシャフトプーリ（５０４）にアーム１ベルト（５０３）が掛けられていて、アーム１モーター（５０１）の駆動がアーム１に伝わるベルトドライブシステムである。アーム１とアーム２の関節部のジョイントシャフト（５０５）には、関節部ベアリング（５０６）が入っており関節部を構成している。ギヤヘッドが装着したＺモーター（５１２）に接続されているＺプーリ（５１３）とボールねじスプライン（５１７）に接続されているスプライン−Ｚプーリ（５１５）にＺベルト（５１４）が掛けられていて、Ｚモーター（５１２）の駆動がボールねじスプライン（５１７）に伝わるベルトドライブシステムである。ギヤヘッドが装着したアーム２モーター（５０７）に接続されているアーム２プーリ（５０８）とボールねじスプライン（５１７）に接続されているスプライン−アーム２プーリ（５１０）（５０８）にアーム２ベルト（５０９）が掛けられている。アーム２モーター（５０７）とＺモーター（５１２）を同期させたベルトドライブシステムによって、ボールねじスプライン（５１７）を動かすことでアーム２を動かしている。ボールねじスプライン（５１７）は、アーム２ベアリング（５１１）とＺベアリング（５１６）によってロボットアームベース（５１８）に接続し据え付けられている構造をしている。この多関節式ベルトドライブシステムは、ロボットアームをコンパクトなシステムにすることができる。

図６は、ロボットアームの関節部を示す図である。以下、図６を参照してロボットアームの関節部を説明する。

アーム１（６０１）とアーム２（６０２）を接続しているジョイントシャフト（６０９）には、ベアリング（６０５）が通されてアーム１（６０１）とアーム２（６０２）の関節部機構を維持している。

ベルトドライブ式の多関節式のロボットであるため、アーム１モーターの動力をアーム１モーターに取り付けられているギヤに伝え、ギヤの軸に取り付けられているプーリに伝える。タイミングベルトをそのプーリに掛ける事でモーターの動力を伝えている。その動力を受ける側のプーリは、ジョイントシャフト（６０９）に接続されている。そのジョイントシャフトはアーム１に接続されているので、アーム１モーターが動けば、アーム１は動くことができる。このアーム１モーターの１ステップ当たりの回転角度と、それに伴ってアーム１が移動する移動量を小さくするために、モーターにギヤを取り付けてある。このアーム単体の１ステップ当たりの回転角度は、１．８°で有るが、１：３６にギヤ比を取り付けることで、その角度は０．０５°になり、高価な高分解能モーターを使用することなく、分解能を上昇させることができる。ところが、モーターに取り付けいてあるギヤには、１−２°のがたが存在する。これは、モーターが１−２°回転してもギヤが動かない領域が存在することを示している。したがって、常に一定方向に回転させた後に、目的の位置で停止させれば、このがたを回避することができる。

さらに、ベルトドライブ式の多関節式のロボットを用いて位置精度を確実に行なうためには、ベルト張力による反作用力を考慮することが必要である。ロボット組立時には、ベルトの張力は作用反作用で釣り合っているが、駆動中においては、モーターによりベルトに動力が伝えられる。組立時にはベルトは釣り合っていたので、ベルトは釣り合おうとするため、反作用の力が働く。ロボットが駆動後停止した時には、モーターによる動力が無くなるが、ベルト張力を釣り合わせようとする反作用力が残る。この反作用の力を制御しない場合には、この力によって動かされロボットアームは予定位置よりずれる。この反作用力を制御するために、アーム１（６０１）とアーム２（６０２）の接続部、例えば、ベアリング（６０５）とジョイントシャフト（６０９）との接触面、ベアリング（６０５）とアーム１（６０１）との接触面、アーム１（６０１）とアーム２（６０２）との接触面に、ベルトの反作用力を受けた時に動かない様に、摩擦抵抗を入れた。そうすることで、モーターが駆動後停止した時に反作用力をベルト（６０４）から受けることを回避でき、目的の位置で停止することができる。

ばね機構（６０８）により、アーム１（６０１）とアーム２（６０２）の接触面もしくは／及びベアリング（６０５）とアーム１（６０１）との接触面の摩擦力を一定の摩擦力で押すことで、摩擦力の低下を回避できるシステム。このシステムにより、ギヤヘッドのがたを回避でき、ロボットの位置精度を容易に満足できる。

図７は、装置の処理フローを示す図である。以下、図７を参照して装置の処理フローを説明する。

装置をＰｏｗｅｒ−ｏｎし、初期化（７０１）を行う。水−ボトル内の水容量確認とヒスチジン−ボトル内のヒスチジン容量確認を行う。

サンプル等準備（７０２）として、バーコードリーダーで、Ｌｏｗ Ｓａｌｔ Ｂｕｆｆｅｒ、Ｈｉｇｈ Ｓａｌｔ Ｂｕｆｆｅｒ、ＮａＯＨ、サンプルが入ったサンプルトレイ、カートリッジのバーコードを各々読み、そのたびにＬＥＤが点灯するので、その場所に各々を正しく設置する。

サンプルＤＮＡの貼り付け（７０３）を以下のように行う。ロボット−プローブチップを洗浄ポートに移動させ、水−ポンプを稼動させプローブチップを洗浄する。ロボットプ−ローブチップを目的のサンプル位置に移動後、水−ポンプを稼動させ、ロボット−プローブチップからサンプルを吸引する。ロボットをＰＩ検知位置に移動させ、キャリブレーションの確認を行う。ロボット−プローブチップを注入ポートに移動後、水−ポンプを稼動させ、ロボットプローブチップから吐出する。カートリッジ−ポンプを稼動させ、サンプルをカートリッジフローセルに移動させる。カートリッジＡｃｔｉｖｅ Ｃｈｉｐ内の目的の位置に、およそ０．２ｍＡの電流を６０秒印加する。ヒスチジン−ポンプを稼動させ、ヒスチジンを注入ポートに送る。カートリッジ−ポンプを稼動させ、カートリッジフローセル洗浄のためにヒスチジンをカートリッジフローセルに移動させる。カートリッジ−ポンプを稼動させ、ヒスチジンを廃液ボトルに移動させる。

レポータＤＮＡの導入（７０４）を以下のように行う。ロボット−プローブチップを洗浄ポートに移動させ、水−ポンプを稼動させプローブチップを洗浄する。ロボットプ−ローブチップをＨｉｇｈ Ｓａｌｔ Ｂｕｆｆｅｒ位置に移動後、水−ポンプを稼動させ、ロボット−プローブチップからＨｉｇｈ Ｓａｌｔ Ｂｕｆｆｅｒを吸引する。ロボットをＰＩ検知位置に移動後、キャリブレーションの確認を行う。ロボット−プローブチップを注入ポートに移動後、水−ポンプを稼動させ、ロボットプローブチップから吐出する。カートリッジ−ポンプを稼動させ、Ｈｉｇｈ Ｓａｌｔ Ｂｕｆｆｅｒをカートリッジフローセルに移動させる。カートリッジ−ポンプを稼動させ、Ｈｉｇｈ Ｓａｌｔ Ｂｕｆｆｅｒをカートリッジフローセルに移動後、カートリッジ−ポンプを稼動させ、Ｈｉｇｈ Ｓａｌｔ Ｂｕｆｆｅｒを廃液ボトルに移動させる。

ロボット−プローブチップを洗浄ポートに移動させ、水−ポンプを稼動させプローブチップを洗浄する。ロボットプ−ローブチップを蛍光体がついたＤＮＡ（レポータＤＮＡ）位置に移動後、水−ポンプを稼動させ、ロボット−プローブチップからレポータＤＮＡを吸引する。ロボットをＰＩ検知位置に移動後、キャリブレーションの確認を行う。ロボット−プローブチップを注入ポートに移動後、水−ポンプを稼動させ、ロボットプローブチップから吐出する。カートリッジ−ポンプを稼動させ、レポータＤＮＡをカートリッジフローセルに移動させる。カートリッジ−ポンプを稼動させ、レポータＤＮＡをカートリッジフローセルに移動させ、およそ６０秒維持する。カートリッジ−ポンプを稼動させ、レポータＤＮＡを廃液ボトルに移動させる。

ロボット−プローブチップを洗浄ポートに移動させ、水−ポンプを稼動させプローブチップを洗浄する。ロボットプ−ローブチップをＨｉｇｈ Ｓａｌｔ Ｂｕｆｆｅｒ位置に移動後、水−ポンプを稼動させ、ロボット−プローブチップからＨｉｇｈ Ｓａｌｔ Ｂｕｆｆｅｒを吸引する。ロボットをＰＩ検知位置に移動後、キャリブレーションの確認を行う。ロボット−プローブチップを注入ポートに移動後、水−ポンプを稼動させ、ロボットプローブチップから吐出する。カートリッジ−ポンプを稼動させ、Ｈｉｇｈ Ｓａｌｔ Ｂｕｆｆｅｒをカートリッジフローセルに移動させる。カートリッジ−ポンプを稼動させ、Ｈｉｇｈ Ｓａｌｔ Ｂｕｆｆｅｒをカートリッジフローセルに移動させる。カートリッジ−ポンプを稼動させ、Ｈｉｇｈ Ｓａｌｔ Ｂｕｆｆｅｒを廃液ボトルに移動させる。カートリッジフローセルの温度を設定温度に上昇させ、およそ６０秒維持する。

非特異的吸着レポータＤＮＡの洗浄（７０５）を以下のように行う。ロボット−プローブチップを洗浄ポートに移動させ、水−ポンプを稼動させプローブチップを洗浄する。ロボットプ−ローブチップをＬｏｗ Ｓａｌｔ Ｂｕｆｆｅｒ位置に移動後、水−ポンプを稼動させ、ロボット−プローブチップからＬｏｗ Ｓａｌｔ Ｂｕｆｆｅｒを吸引する。ロボットをＰＩ検知位置に移動後、キャリブレーションの確認を行う。ロボット−プローブチップを注入ポートに移動後、水−ポンプを稼動させ、ロボットプローブチップから吐出する。注入ポートの温度を設定温度に上昇させ、およそ６０秒維持。カートリッジ−ポンプを稼動させ、Ｌｏｗ Ｓａｌｔ Ｂｕｆｆｅｒをカートリッジフローセルに移動させる。カートリッジ−ポンプを稼動させ、Ｌｏｗ Ｓａｌｔ Ｂｕｆｆｅｒを廃液ボトルに移動させる。

ロボット−プローブチップを洗浄ポートに移動後、水−ポンプを稼動させプローブチップを洗浄する。ロボットプ−ローブチップをＬｏｗ Ｓａｌｔ Ｂｕｆｆｅｒ位置に移動後、水−ポンプを稼動させ、ロボット−プローブチップからＬｏｗ Ｓａｌｔ Ｂｕｆｆｅｒを吸引する。ロボットをＰＩ検知位置に移動後、キャリブレーションの確認を行う。ロボット−プローブチップを注入ポートに移動後、水−ポンプを稼動させ、ロボットプローブチップから吐出する。カートリッジ−ポンプを稼動させ、Ｌｏｗ Ｓａｌｔ Ｂｕｆｆｅｒをカートリッジフローセルに移動させる。カートリッジフローセルの温度を設定温度にする。
ＣＣＤカメラで画像を取得する（７０６）。

カートリッジ−ポンプを稼動させ、Ｌｏｗ Ｓａｌｔ Ｂｕｆｆｅｒをカートリッジフローセルに移動する。カートリッジ−ポンプを稼動させ、Ｌｏｗ Ｓａｌｔ Ｂｕｆｆｅｒを廃液ボトルに移動する。装置終了処理（７０７）後、装置Ｐｏｗｅｒ−ｏｆｆする。
図８は、ロボットアームの全体の動きを示す図である。以下、図８を参照してロボットアームの全体の動きを説明する。

装置電源をＯＮし初期化終了すると、ロボットアームの位置はＨｏｍｅ（図８（ａ））である。次に、ロボットを洗浄ポート（図８（ｂ））に移動させる。その後、サンプルトレイの目的試料が入っている穴（図８（ｃ））に移動し、サンプルを吸引する。ロボットの位置制度を確認するために、キャリブレーションポイント（図８（ｄ））に移動し、キャリブレーションずれが無いことが確認された場合のみ、ロボットは注入ポート（図８（ｅ））に移動する。再び、ロボットは洗浄ポート（図８（ｆ））に移動し、プローブチップを洗浄後Ｈｏｍｅ（図８（ｇ））に移動する。

Ｈｏｍｅ（図８（ａ））位置は、アーム１とアーム２が作り出す角度がおよそ３５°である。そして、アーム１に取り付いているプローブチップに触れることなくＲｅａｇｅｎｔボトル、反応酵素冷却部、マイクタイタープレートに手を伸ばし、それら必要なＲｅａｇｅｎｔボトル、反応酵素冷却部、マイクタイタープレートを交換することができる。

洗浄ポート（図８（ｂ））位置は、Ｈｏｍｅ（図８（ａ））位置からアーム1を動かすことなくアーム２のみを動かすことで、洗浄ポート（図８（ｆ））に移動することができる。両アームを動かさないので、アームの移動時間を短縮できると共に、移動面積も小さくすることができる。

キャリブレーションポイント（図８（ｄ））は、アーム位置をキャリブレした後に、注入ポート（図８（ｅ））に試料・試薬を吐出するために設置されている。アーム位置ずれにより誤試料・誤試薬をノズル内に吸引しても、誤試料・誤試薬の投入を防止できる。注入ポート（図８（ｅ））とキャリブレポイント（図８（ｄ））が異なる場合には、ノズルから誤試料等が液だれしても、装置内に投入されることはない。また、注入ポート（図８（ｅ））とキャリブレポイント（図８（ｄ））が同じ場合には、キャリブレーションポイントから注入ポートに移動する必要がなくなるため、スループットを向上することができる。

注入ポート（図８（ｅ））位置は、注入ポートの位置からアーム２を動かすことなくアーム１のみを動かすことで、洗浄ポート（図８（ｆ））に移動することができる。両アームを動かさないので、アームの移動時間を短縮できると共に、移動面積も小さくすることができる。

洗浄ポート（図８（ｆ））からＨｏｍｅ（図８（ｇ））までの移動の場合には、アーム1を動かすことなくアーム２のみを動かすことで、Ｈｏｍｅ（図８（ｇ））に移動することができる。

本装置を用いて、ユーザーがサンプル測定中にユーザーがロボットアームに接触する可能性がある。そのためにロボットアームの位置精度に狂いが生じる可能性が示唆されている。位置精度に狂いが生じれば、正しく目的のサンプルを吸引することができず、隣のサンプルを吸引する場合もあるためサンプル取り違えによる誤診断を引き起こすことと成る。それらを回避するために、サンプルを吸った後、吐き出す前にキャリブレーションのズレを確認し、そのズレが規定パルス以内の場合のみ、サンプルを注入ポートに吐き出すこととしているため、正しく目的のサンプルを吸引することができず、隣のサンプルを吸引する場合もあるためサンプル取り違えによる誤診断を引き起こすことは無い。このような方法によって、ロボットアームの動きの中でただ１回キャリブレーション確認を行うことで、サンプル取り違えによる誤診断を引き起こすことを回避している。

図９は、ロボットアームの角度を示す図である。以下、図９を参照してロボットのアーム角度を説明する。

ロボットのアーム２の角度は、ロボットのボールねじスプライン（９０５）が中心でアーム２のＨｏｍｅ位置（９０１）を基準として、Ｈｏｍｅ位置以外のポジションにアーム２を移動させる時には、Ｈｏｍｅ位置を原点０とし、矢印（９０２）の回転方向にモーターの移動パルスをカウントして管理しているため、Ｈｏｍｅ位置から負方向の管理を行なうことの煩雑さを回避しているので、アーム２の制御を容易にしている。ロボット初期化後のアーム１はアーム２に対して、アーム１Ｈｏｍｅ位置角度（９０３）を成す。

Ｈｏｍｅ位置以外のポジションにアーム１を移動させる時のアーム１の移動は、このアーム１Ｈｏｍｅ位置角度（９０３）を基準原点０とし、アーム１とアーム２の関節部（９０６）を中心に矢印（９０４）の回転方向にモーターの移動パルスをカウントして管理しているため、Ｈｏｍｅ位置から負方向の管理を行うことの煩雑さを回避しているので、アーム１の制御を容易にしている。

図１０は、キャリブレーション台使用時の様子を示す図である。以下、図１０を参照してキャリブレーション台使用時の様子を説明する。

装置ベースプレート（１００１）のロボット用位置決めピン２本（１００２）（１００３）によって位置決めされてロボットが設置されている。Ｉ／Ｆベース（１００４）には、カートリッジとのインターフェースであるＣａｒｔｒｉｄｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒと蛍光検出における光源と検出器であるＤｅｔｅｃｔｏｒが納められている。そのＩ／Ｆベース（１００４）用位置決めピン２本（１００５）（１００６）によって位置決めされてＩ／Ｆベース（１００４）がベースプレート（１００１）に設置されている。さらに、Ｉ／Ｆベース（１００４）上部の２本の位置決めピン（１００７）（１００８）によって位置決めされてキャリブレーション用プレート（１０１４）が設置されている。位置決めされたロボットのアーム１（１００９）とアーム２（１０１０）の関節部のジョイントシャフト（１０１１）は管状をしている。その管にアーム２キャリブレーション用チェックポール（１０１２）を取り付けてある。また、アーム１キャリブレーション用チェックノズル（１０１３）をアーム１のプローブチップ取り付け位置に取り付けてある。装置ベースプレート（１００１）に対して、ロボットのボールねじスプライン（１０１５）、チェックポール（１０１２）及びチェックノズル（１０１３）は垂直である。装置ベースプレート（１０１８）上にロボットが設置された時のロボットのボールねじスプライン位置（１０１６）に対してアーム２用ターゲット（１０１９）は、アーム２（１０１７）のキャリブレーション用として記されている。そして、アーム１用ターゲット（１０２１）は、アーム１（１０２０）のキャリブレーション用として記されている。ここに記されている様にキャリブレーションに必要なターゲットを配置することで、装置スループットを短時間にでき、さらにサンプルの吐出し前にロボットのキャリブレーションの確認ができるため、サンプル取り違えなどを回避することができる。

図１１は、キャリブレーション時のフローを示す図である。以下、図１１を参照して
キャリブレーション時のフローを説明する。

ＰＣ（パソコン）から装置Ｉ／Ｏに初期ファイルを導入（１１０１）する。その後、装置のＩ／Ｆベースからプレートベースを取り外し、そこにキャリブレーション用プレートを取り付ける（１１０２）。ロボットの初期化を行う（１１０３）。アーム１、アーム２及びＺのＰＩ検知（１１０４）を行い、検知位置でロボットを停止させる。アーム１のプローブチップ取り付け位置にチェックノズルを取り付け、そしてアーム１とアーム２の関節部のジョイントシャフト管にキャリブレーション用チェックポールを取り付ける（１１０５）。再び、アーム１、アーム２及びＺのＰＩ検知（１１０６）を行い、検知位置でロボットを停止させる。その後、両ノズルの先端がキャリブレーション用プレートの表面から約１ｍｍ上空に位置するように、Ｚ位置を調整する（１１０７）。アーム２の調整を行うために、キャリブレーション用プレートのアーム２用ターゲットにポール先端を合わせる（１１０８）。その後、アーム１の調整を行うために、キャリブレーション用プレートのアーム１用ターゲットにポール先端を合わせる（１１０９）。アーム１とアーム２から各々のポールを取り外す（１１１０）。その後、ロボットをホーム位置に移動させる（１１１１）。以上の操作によって、ＰＩ検知位置とキャリブレーションターゲットまでのパルス距離を得る。そのパルス値にキャリブレーションターゲットからＨｏｍｅまでのパルス距離を加えた値をキャリブレーション値として、初期ファイルに代入（１１１２）し、ＰＣにｓａｖｅ（１１１３）する。その後、装置Ｉ／ＯにＤｏｗｎｌｏａｄする（１１１４）。アーム１とアーム２の関節部にチェックポールを取り付けた後、アーム２のキャリブレーションを最初に行った後、アーム１のキャリブレーションを行うことで、簡便に精度良くキャリブレーションを行うことができる。

アーム１とアーム２のキャリブレーションターゲットにキャリブレーション用ポールを合わせる順序として、装置に固定されているロボットボールねじスプライン（１０１５）を基準中心としてキャリブレーションを行う。なぜなら、装置に固定されているロボットボールねじスプライン（１０１５）は、いつも同じ位置で動くことは無いので原点として扱うことができるため。その中心として回転しているのがアーム２であるため、最初にアーム２のキャリブレーションを行う。次に、アーム２のキャリブレーションターゲットを中心として、アーム１を回転させ、アーム１のキャリブレーションターゲット上でアーム１のキャリブレーションを行う。

キャリブレーションの目的は、装置の総組後の各点の座標が理論値から僅かにずれていることが有るために、それを補正すべく行うものである。したがって、この変形例として、キャリブレーションにこだわることなく、各点の座標を装置に記憶させる作業も含んでいる。そこで、装置総組後の僅かにずれた各座標を、アーム１にＣＣＤカメラなど各座標のターゲットを認識できる部品でそのターゲットを探し、その位置でのロボットアーム１とアーム２の角度を記憶させていく。オートメーション化することで、人手によるキャリブレーションを必要としないため、キャリブレーションの煩雑から回避される。

ＤＮＡチップを用いるＳＮＰ解析装置の分解斜視図。 ＳＮＰ解析装置の概略図。 サンプルハンドリングステーションの上面図である。 ロボットアームの概略を示す図である。 ロボットアームの断面図である。 ロボットアームの関節部を示す図である。 装置の処理フローを示す図である。 ロボットアームの全体の動きを示す図である。 ロボットアームの角度を示す図である。 キャリブレーション台使用時の様子を示す図である。 キャリブレーション時のフローを示す図である。

Claims (11)

1. 以下の構成を含む自動分注装置；
   試料が投入される投入孔；
   複数の試料を保持できる試料容器を配置できる試料容器配置機構；
   試料を吸引及び吐出できる分注機構と、２以上のアームを軸を介して連結する関節部を有し、
   所定の試料容器へ分注機構を移動し、所定の試料を吸引し、
   目標と所定関係を有する位置に分注機構を移動し、分注機構の位置を確認し、
   目標と所定関係を有する位置に分注機構が存在する場合は、分注機構を投入孔へ移動し、投入孔へ試料を吐出し、
   目標と所定関係を有する位置に分注機構が存在しない場合は、吐出を回避するロボットアーム。
2. 以下の構成を含む自動分注装置；
   試料が投入される投入孔；
   複数の試料を保持できる試料容器を配置できる試料容器配置機構；
   試料を吸引及び吐出できる分注機構と、２以上のアームを軸を介して連結する関節部を有し、
   所定の試料容器へ分注機構を移動し、所定の試料を吸引し、
   投入孔と所定関係を有する位置へ分注機構を移動し、分注機構の位置を確認し、
   投入孔と所定関係を有する位置に分注機構が存在する場合は、投入孔へ試料を吐出し、分注機構が投入孔と所定関係を有しない場合には、吐出を回避するロボットアーム。
3. 以下の構成を含む自動分注装置；
   試料が投入される複数の試料を保持できる試料容器を配置できる試料容器配置機構；
   試料を吸引及び／又は吐出できる分注機構を備える先端アームと、２以上のアームを軸を介して連結する関節部を有し、
   関節部と第１目標、先端アームと第２目標とをそれぞれ位置合わせできるロボットアーム。
4. 請求項３記載の自動分注装置であって、
   関節部と第２目標とを位置合わせできる位置合わせ部材を着脱できる自動分注装置。
5. 以下の構成を含む自動分注装置；
   試料が投入される複数の試料を保持できる試料容器を配置できる試料容器配置機構；
   試料を吸引及び／又は吐出できる分注機構を備える先端アームと、２以上のアームを軸を介して連結する関節部を有し、
   軸、アーム同士の接触面及び／又は関節部に、軸方向の回転を阻害する摩擦力を増大させる処理が施されているロボットアーム。
6. 以下の構成を含む自動分注装置；
   試料が投入される投入孔；
   複数の試料を保持できる試料容器を配置できる試料容器配置機構；
   試料を吸引及び／又は吐出できる分注機構を備える先端アームと、先端アームと連結された第２アームを含み、
   該先端アームと第２アームのなす角度を６０度以下とし、該先端アームと第２アームを含む平面方向に第２アームを動かすロボットアーム；
   試料容器、投入孔、及びロボットアームを納める密閉空間。
7. 請求項６記載の自動分注装置であって、
   前記試料が核酸含有試料であり、
   核酸分析機構を含む自動分注装置。
8. 試料を吸引及び吐出できる分注機構を備える先端アームと、２以上のアームを軸を介して連結する関節部を有する、自動分注装置のロボットアームの動作方法であって、
   所定の試料を保持する試料容器へ分注機構を移動し、所定の試料を吸引し、
   自動分注装置に設けられた目標と所定関係を有する位置に分注機構を移動し、分注機構の位置を確認し、
   目標と所定関係を有する位置に分注機構が存在する場合は、自動分注装置に設けられた投入孔へ分注機構を移動し、投入孔へ試料を吐出し、
   目標と所定関係を有する位置に分注機構が存在しない場合は、吐出を回避する方法。
9. 試料を吸引及び吐出できる分注機構を備える先端アームと、２以上のアームを軸を介して連結する関節部を有する、自動分注装置のロボットアームの動作方法であって、
   所定の試料を保持する試料容器へ分注機構を移動し、所定の試料を吸引し、
   自動分注装置に設けられた投入孔と所定関係を有する位置に分注機構を移動し、分注機構位置を確認し、
   投入孔と所定関係を有する位置に分注機構が存在する場合は、投入孔へ試料を吐出し、
   投入孔と所定関係を有する位置に分注機構が存在しない場合は、吐出を回避する方法。
10. 試料を吸引・吐出できる分注機構を備える先端アームと、２以上のアームを軸を介して連結する関節部を有する、自動分注装置のロボットアームの位置合わせ方法であって、
    自動分注装置に配置された第１目標と関節部を位置合わせし、その後、自動分注装置に配置された第２目標と先端アームを位置合わせする方法。
11. 自動分注装置に設けられた試料容器と投入孔が納められた密閉空間に納められ、試料を吸引・吐出できる分注機構を備える先端アームと、２以上のアームを軸を介して連結する関節部を有する、自動分注装置のロボットアームの動作方法であって、
    先端アームと第２アームのなす角度を６０度以下とし、先端アームと第２アームを含む平面方向に第２アームを動かす方法。

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