JP6890508B2 - 細胞処理方法およびそのシステム - Google Patents
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Description
[1]液体を収容した収容容器を収容容器の長軸に垂直な軸周りに回転させることで、収容容器内の液体を回収容器に排出することができるロボットシステムであって、
第1の所定の軸周りに、収容容器を回転させる排出制御、および
第2の所定の軸周りに、収容容器を回転させる退避制御、
を実行し、
排出制御における回転方向と、退避制御における回転方向が同じであり、第1の所定の軸が、収容容器の開口部の一側に設定され、第2の所定の軸が、前記開口部の一側に対向する開口部の他側に設定されることを特徴とする、
前記ロボットシステム。
[2]前記第1の所定の軸上に、収容容器の位置・姿勢制御の第1の座標系を設定し、
前記第2の所定の軸上に、収容容器の位置・姿勢制御の第2の座標系と設定したことを特徴とする、[1]に記載のロボットシステム。
[3]収容容器を回収容器に対して倒立させた状態を保持する滴下制御をさらに含むことを特徴とする、[1]または[2]に記載のロボットシステム。
[5]退避制御における回転において、第2の所定の軸を回収容器の上方位置へ並進移動させる回避制御をさらに含むことを特徴とする、[1]〜[4]のいずれかに記載のロボットシステム。
[6]収容容器が、接着細胞用の細胞培養フラスコであり、回転が、該細胞培養フラスコの培養面を上にして行われることを特徴とする、[1]〜[5]のいずれかに記載のロボットシステム。
[7]排出制御が、第1角度θ1において第1角速度で収容容器を回転させる第1制御、第2角度θ2において第2角速度で収容容器を回転させる第2制御、および第3角度θ3において第3角速度で収容容器を回転させる第3制御をさらに含み、第1角速度および第3角速度が第2角速度以上であることを特徴とする、[1]〜[6]のいずれかに記載のロボットシステム。
第1の所定の軸周りに、収容容器を回転させる排出制御ステップ、および
第2の所定の軸周りに、収容容器を回転させる退避制御ステップ、
を含み、
排出制御における回転方向と、退避制御における回転方向が同じであり、第1の所定の軸が、収容容器の開口部の一側に設定され、第2の所定の軸が、前記開口部の一側に対向する開口部の他側に設定されることを特徴とする、
前記ロボット制御方法。
[9]前記第1の所定の軸上に、収容容器の位置・姿勢制御の第1の座標系を設定し、
前記第2の所定の軸上に、収容容器の位置・姿勢制御の第2の座標系と設定したことを特徴とする[8]に記載のロボット制御方法。
[10]収容容器を回収容器に対して倒立させた状態を保持する滴下制御をさらに含むことを特徴とする、[8]または[9]に記載のロボット制御方法。
[12]退避制御における回転において、第2の所定の軸を回収容器の上方位置へ並進移動させる回避制御をさらに含むことを特徴とする、[8]〜[11]のいずれかに記載のロボット制御方法。
[13]収容容器が、接着細胞用の細胞培養フラスコであり、回転が、該細胞培養フラスコの培養面を上にして行われることを特徴とする、[8]〜[12]のいずれかに記載のロボット制御方法。
[14]排出制御が、第1角度θ1において第1角速度で収容容器を回転させる第1制御、第2角度θ2において第2角速度で収容容器を回転させる第2制御、および第3角度θ3において第3角速度で収容容器を回転させる第3制御をさらに含み、第1角速度および第3角速度が第2角速度以上であることを特徴とする、[8]〜[13]のいずれかに記載のロボット制御方法。
第1の所定の軸周りに、収容容器を回転させる排出制御処理、および
第2の所定の軸周りに、収容容器を回転させる退避制御処理、
をコンピュータに実行させ、
排出制御における回転方向と、退避制御における回転方向が同じであり、第1の所定の軸が、収容容器の開口部の一側に設定され、第2の所定の軸が、前記開口部の一側に対向する開口部の他側に設定されることを特徴とする、
前記プログラム。
[16]前記第1の所定の軸上に、収容容器の位置・姿勢制御の第1の座標系を設定し、
前記第2の所定の軸上に、収容容器の位置・姿勢制御の第2の座標系と設定したことを特徴とする[15]に記載のプログラム。
[17]収容容器を回収容器に対して倒立させた状態を保持する滴下制御をさらに含むことを特徴とする、[15]または[16]に記載のプログラム。
[19]退避制御における回転において、第2の所定の軸を回収容器の上方位置へ並進移動させる回避制御をさらに含むことを特徴とする、[15]〜[18]のいずれかに記載のプログラム。
[20]収容容器が、接着細胞用の細胞培養フラスコであり、回転が、該細胞培養フラスコの培養面を上にして行われることを特徴とする、[15]〜[19]のいずれかに記載のプログラム。
[21]排出制御が、第1角度θ1において第1角速度で収容容器を回転させる第1制御、第2角度θ2において第2角速度で収容容器を回転させる第2制御、および第3角度θ3において第3角速度で収容容器を回転させる第3制御をさらに含み、第1角速度および第3角速度が第2角速度以上であることを特徴とする、[15]〜[20]のいずれかに記載のプログラム。
第1角度θ1において第1角速度で収容容器を回転する第1制御と、
第2角度θ2において第2角速度で収容容器を回転する第2制御と、
第3角度θ3において第3角速度で収容容器を回転する第3制御と、
を実行し、
第1角速度および第3角速度が、第2角速度以上であることを特徴とする、前記ロボットシステム。
[23]第1制御による回転後に、収容容器と回収容器とが略垂直になり、第3制御による回転後に、収容容器が回収容器に対して倒立させた状態になることで、収容容器内の液体が回収容器に排出されることを特徴とする、[22]に記載のロボットシステム。
[24]液体が水である場合に、第3角速度が第1角速度以上であり、液体が培養液である場合に、第1角速度が第3角速度以上であることを特徴とする、[22]または[23]に記載のロボットシステム。
[26]第2角度θ2が、水平を基準に下方20°〜上方65°の範囲内であることを特徴とする、[22]〜[25]のいずれかに記載のロボットシステム。
[27]第3制御による回転終了後に、収容容器の開口の中心軸と回収容器の開口の中心軸とが略一致するように、軸が設定されることを特徴とする、[22]〜[26]のいずれかに記載のロボットシステム。
[28]収容容器が、接着細胞用の細胞培養フラスコであり、回転が、該細胞培養フラスコの培養面を上にして行われることを特徴とする、[22]〜[27]のいずれかに記載のロボットシステム。
第1角度θ1において第1角速度で収容容器を回転する第1制御ステップと、
第2角度θ2において第2角速度で収容容器を回転する第2制御ステップと、
第3角度θ3において第3角速度で収容容器を回転する第3制御ステップと、
を含み、
第1角速度および第3角速度が第2角速度以上であることを特徴とする、前記ロボット制御方法。
[30]第1制御による回転後に、収容容器と回収容器とが略垂直になり、第3制御による回転後に、収容容器が回収容器に対して倒立させた状態になることで、収容容器内の液体が回収容器に排出されることを特徴とする、[29]に記載のロボット制御方法。
[31]液体が水である場合に、第3角速度が第1角速度以上であり、液体が培養液である場合に、第1角速度が第3角速度以上であることを特徴とする、[29]または[30]に記載のロボット制御方法。
[33]第2角度θ2が、水平を基準に下方20°〜上方65°の範囲内であることを特徴とする、[29]〜[32]のいずれかに記載のロボット制御方法。
[34]第3制御による回転終了後に、収容容器の開口の中心軸と回収容器の開口の中心軸とが略一致するように、軸が設定されることを特徴とする、[29]〜[33]のいずれかに記載のロボット制御方法。
[35]収容容器が、接着細胞用の細胞培養フラスコであり、回転が、該細胞培養フラスコの培養面を上にして行われることを特徴とする、[29]〜[34]のいずれかに記載のロボット制御方法。
第1角度θ1において第1角速度で収容容器を回転する第1制御処理と、
第2角度θ2において第2角速度で収容容器を回転する第2制御処理と、
第3角度θ3において第3角速度で収容容器を回転する第3制御処理と、
をコンピュータに実行させ、
第1角速度および第3角速度が第2角速度以上であることを特徴とする、前記プログラム。
[37]第1制御による回転後に、収容容器と回収容器とが略垂直になり、第3制御による回転後に、収容容器が回収容器に対して倒立させた状態になることで、収容容器内の液体が回収容器に排出されることを特徴とする、[36]に記載のプログラム。
[38]液体が水である場合に、第3角速度が第1角速度以上であり、液体が培養液である場合に、第1角速度が第3角速度以上であることを特徴とする、[36]または[37]に記載のロボット制御方法。
[40]第2角度θ2が、水平を基準に下方20°〜上方65°の範囲内であることを特徴とする、[36]〜[39]のいずれかに記載のプログラム。
[41]第3制御による回転終了後に、収容容器の開口の中心軸と回収容器の開口の中心軸とが略一致するように、軸が設定されることを特徴とする、[36]〜[40]のいずれかに記載のプログラム。
[42]収容容器が、接着細胞用の細胞培養フラスコであり、回転が、該細胞培養フラスコの培養面を上にして行われることを特徴とする、[36]〜[41]のいずれかに記載のプログラム。
本発明における回収容器は、とくに限定されないが、例えば、シェイカーフラスコ、三角フラスコ、ローラーボトル、排液ボトル、ビーカー、培地瓶、角型培地瓶などが挙げられる。排液ボトルとしては、シェイカーフラスコ、三角フラスコ、ローラーボトル、排液ボトル、ビーカー、培地瓶、角型培地瓶などが挙げられる。
本発明において「TCP」とは、ツールセンターポイント(Tool Center Point)をいい、ロボット先端部に位置するツール、グリッパ、作業対象物などの制御対象物の位置、姿勢を表現するための座標系をいう。TCPは、例えば、エンドエフェクタ(グリッパ、ツールなど)や作業対象物(フラスコ、ボトルなど)などの任意の位置、姿勢(動作、制御に都合の良い位置、姿勢)に設定でき、6軸多関節ロボットであれば、通常、ロボット第6軸の座標系に対して定義する。
〔第1実施態様〕
まず、本発明の第1実施態様について説明する。
図1は本発明の第1実施態様にかかるロボットシステムの概要図、図2は、図1のロボットシステムのグリッパの動作を説明する模式図である。なお、本願における各図において、説明を容易とするため、各部材の大きさは、適宜強調されており、図示の各部材は、実際の大きさを示すものではない。
以上、本発明の第1実施形態に係るロボットシステム1によれば、比較的単純な構成を有するロボットを単純な制御手順で動作させることで、効率よく迅速な培地交換が可能であり、液だれの発生を防止することができるため、クリーンルームなどにおける細胞培養物の製造に適している。
次に、本発明の第2実施態様について説明する。
図3は、本発明の第2実施態様にかかるロボットシステムのグリッパの動作を説明する模式図である。なお、本願における各図において、説明を容易とするため、各部材の大きさは、適宜強調されており、図示の各部材は、実際の大きさを示すものではない。
本実施態様においては、培地(液体L)を入れた、接着細胞用の細胞培養フラスコを収容容器10として使用した場合を例に説明を行う。
第二角速度と液体Lの量x[ml]について、おおむね下記の式が成立する。
第二角速度=75[ml]×16[deg/second]/x[ml]±50%
さらに、下記の式が好ましい。
第二角速度=75[ml]×16[deg/second]/x[ml]±30%
本発明を図示の第1および第2実施態様について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本発明は、第1および第2実施態様を組み合わせて実施することもできる。すなわち、第1実施態様のステップCを第2実施態様のステップB、C、Dのように三段階に分けて回転させることで、より効率的で迅速な培地交換が可能である。
廃液作業の作業分析として、細胞処理作業従事者が、実際の培地交換作業においてフラスコ内の培養液75[ml]を排出する廃液作業、および、未経験者が75[ml]の水道水の入ったT500フラスコを把持し、角型の廃液ボトルへ、水道水を排出した時の廃液作業について、ビデオ画像を観察した。その結果、廃液作業は、(1)排出動作、(2)滴下動作、(3)退避動作の3つの動作に分解することができることが分かった。
ロボットとして、6軸垂直多関節型産業用ロボット:安川電機製 MOTOMAN−MH3F(第1アーム:260[mm]、第2アーム:270[mm])を用いた。制御コントローラは、RTLinux(登録商標)環境をベースとしたシステムを使用した。
細胞処理作業従事者および未経験者(両者を合わせて作業者と呼ぶ)の廃液作業の分析を参考に、ロボットで廃液作業を実施する際においても、(1)排出動作、(2)滴下動作、(3)退避動作と対応させることで、廃液作業の基本動作を実現することを検討し、さらに、ロボットと作業者の違いに着目し、廃液作業の効率化の検討を行った。
例2で決定した最適速度構成(第1高速回転動作=32[deg/s]、低速回転動作=16[deg/s]、第2高速回転動作=43[deg/s]、滴下時間=0[s]、退避速度=108[deg/s])を実際の培養液の廃液作業に適用した結果、液だれが発生した。液だれの発生現象は、(A)排出動作時の廃液ボトル外への排出、(B)退避動作時の廃液ボトル外への排出、(C)退避動作時の排出口の淵だれの3種類に分けられた。
なお、滴下動作は、培養液の液だれのリスクを回避させるのが主たる目的であるため、滴下動作によって滴単位で培養液を完全に排出する必要はなく、ロボットによる滴下動作を0〜1[s]程度に設定しても特に問題はなかった。
培養液の液量を変化させて、低速回転動作(第2制御)における最適な角速度(第2角速度)分析を行い、培養液量と第2角速度の関係を分析した結果を図7に示す。この際に、第1高速回転動作(第1制御)における、角速度(第1角速度)(54[deg/s])、第2高速回転動作(第3制御)における、角速度(第3角速度)(43[deg/s])は変化させなかった。第1角度θ1は、30[deg]、第2角度θ2は、45[deg]、第3角度θ3は、45[deg]に設定した。
結果(図中、上の線が計算値、下の線が実験値)、培養液量が約49〜141[ml]、第2角速度が約8〜25[deg/s]の場合は、液だれは起こらなかった。一方で、培養液量が25[ml]の場合は、計算で求めた第2角速度付近の49[deg/s]では液だれが起こり、37[deg/s]では液だれは起こらなかった。液体量(培養液量)が25mlから140mlの範囲において、角速度と液体量は、ほぼ、反比例した。
Claims (9)
- 液体を収容した収容容器を収容容器の長軸に垂直な軸周りに回転させることで、収容容器内の液体を回収容器に排出することができるロボットシステムであって、
第1角度θ 1 において第1角速度で収容容器を回転する第1制御と、
第2角度θ 2 において第2角速度で収容容器を回転する第2制御と、
第3角度θ 3 において第3角速度で収容容器を回転する第3制御と、
を実行し、
第1角速度および第3角速度が第2角速度以上であることを特徴とする、前記ロボットシステム。 - 第1制御による回転後に、収容容器と回収容器とが略垂直になり、第3制御による回転後に、収容容器が回収容器に対して倒立させた状態になることで、収容容器内の液体が回収容器に排出されることを特徴とする、請求項1に記載のロボットシステム。
- 液体が水である場合に、第3角速度が第1角速度以上であり、液体が培養液である場合に、第1角速度が第3角速度以上であることを特徴とする、請求項1または2に記載のロボットシステム。
- 第2角速度が、5〜40[deg/s]であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載のロボットシステム。
- 第2角度θ2 が、水平を基準に下方20°〜上方65°の範囲内であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載のロボットシステム。
- 第3制御による回転終了後に、収容容器の開口の中心軸と回収容器の開口の中心軸とが略一致するように、軸が設定されることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載のロボットシステム。
- 収容容器が、接着細胞用の細胞培養フラスコであり、回転が、該細胞培養フラスコの培養面を上にして行われることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載のロボットシステム。
- 液体を収容した収容容器を収容容器の長軸に垂直な軸周りに回転させることで、収容容器内の液体を回収容器に排出することができるロボットを制御する、ロボット制御方法であって、
第1角度θ 1 において第1角速度で収容容器を回転する第1制御ステップと、
第2角度θ 2 において第2角速度で収容容器を回転する第2制御ステップと、
第3角度θ 3 において第3角速度で収容容器を回転する第3制御ステップと、
を含み、
第1角速度および第3角速度が第2角速度以上であることを特徴とする、前記ロボット制御方法。 - 液体を収容した収容容器を収容容器の長軸に垂直な軸周りに回転させることで、収容容器内の液体を回収容器に排出することができるロボットを制御するためのプログラムであって、
第1角度θ 1 において第1角速度で収容容器を回転する第1制御処理と、
第2角度θ 2 において第2角速度で収容容器を回転する第2制御処理と、
第3角度θ 3 において第3角速度で収容容器を回転する第3制御処理と、
をコンピュータに実行させ、
第1角速度および第3角速度が第2角速度以上であることを特徴とする、前記プログラム。
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