DE3788596T2

DE3788596T2 - Automatisches Steuersystem.

Info

Publication number: DE3788596T2
Application number: DE87303707T
Authority: DE
Inventors: William J Buote; Burleigh M Hutchins; John S Roe; Anne M Sullivan; Warren R Vollinger; Susan N Wagner
Original assignee: Zymark Corp
Current assignee: Zymark Corp
Priority date: 1986-05-30
Filing date: 1987-04-27
Publication date: 1994-04-28
Anticipated expiration: 2007-04-28
Also published as: EP0251441B1; JPS62292373A; DE3788596D1; EP0550418A2; EP0251441A2; CA1274897A; EP0550418A3; EP0251441A3

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes automatisches Steuersystem. Das System ist besonders für chemische Labors und ähnliche Einrichtungen geeignet.
Labor-Automaten haben in den vergangenen Jahren an Stellenwert zugenommen. Unter den grundlegenden Veröffentlichungen, die sich mit den genannten Systemen befassen, sind "Advances in Laboratory Automation Robotics", 1984 von Gerald L. Hawk und Janet R. Strimatis (1984, Zymark Corporation, Inc., Hopkinton, MA) und "Trends in Laboratory Automation", American Laboratory, Seite 51 bis 57, Februar 1985.
Der hier verwendete Begriff "Roboter" bedeutet: "Ein wiederprogrammierbarer, multifunktioneller Manipulator, entworfen, um Materialien, Teile, Werkzeuge oder Sondervorrichtungen durch veränderlich programmierbare Bewegungsabläufe zur Ausführung einer Vielzahl von Aufgaben zu veranlassen". Dies ist die Definition des Begriffs "Roboter" nach der Festlegung des Amerikanischen Roboter-Instituts (The Robotics Institut of America).
Robotergesteuerte Systeme mit spezieller Anpassung an die Erfordernisse bei der Bedienung von Labor-Systemen sind seit mehreren Jahren auf dem Markt verfügbar. Als grundlegende Voraussetzung weisen diese Systeme einen angepaßten Roboter auf, der mit einer Anzahl Funktions-Einheiten in Wechselbeziehung steht. Die typische Arbeitsweise ist durch einen Roboter gekennzeichnet, der mit mehreren anderen Einheiten in Wechselbeziehung steht, um die Verfahren für chemischen Proben durchzuführen. Diese Einheiten können als Arbeitsstationen bezeichnet werden. Eine Allzweck-Hand zum Greifen, eine Injektionen ausführende Hand, eine Pipetten-Station, eine Station zur Flüssigkeits-Abgabe oder eine Station für Verdünnungen sind typische Beispiele für solche Einheiten.
Einige dieser Systeme sind in den U.S.-Patenten 4.510.684, 4.578.764 und 4.586.151 beschrieben. Die in den letzteren beiden Patenten beschriebenen Systeme sind durch ihre Fähigkeit zur Integration der Funktions-Einheiten (d. h. Arbeitsstationen) gekennzeichnet, wodurch Funktionen ausgeführt werden können, die beim ursprünglichen Entwurf der Einheiten nicht vorgesehen waren.
Tatsächlich ergibt sich der weitestgehende Einsatz eines solchen im U.S.-Patent 4.586.151 beschriebenen Steuersystems daraus, daß der Anwender eine geeignete Zusammenstellung seiner Funktions-Einheiten entwirft und dann einen Roboter in einem bestimmten Verfahrensvorgang unterweist (normalerweise, indem er ihn durch den Verfahrensvorgang führt) und daß er dann einen "Namen" für den Vorgang festlegt und den Vorgang als "Name" in einem automatisierten Verzeichnis im Steuersystem abspeichert, aus welchem der Vorgang mit Hilfe des Namens wieder aufgerufen werden kann. Obwohl solche Programmier-Aufgaben, wenn sie vom Bediener einmal verstanden worden sind, keine intellektuelle Herausforderung darstellen, ist die Aufgabe arbeitsaufwendig, ein System mit wirkungsvoller Arbeitsweise zusammenzustellen. Mit der Zunahme der Stationen in einem System steigt die Zahl der zu berücksichtigenden Variablen, um einerseits Kollisionen und andrerseits Konflikte bei der Unterweisung zu vermeiden und und selbst für den erfahrenen Programmierer ist die Aufgabe arbeitsintensiv. Selbst das oben erwähnte System "Unterweise und bezeichne mit Namen" (teach and name) erwies sich für den erfahrenen Chemiker oder Techniker, der in einem Chemielabor beschäftigt ist, als mühsam und umständlich.
Deshalb wurde zur Lösung dieses Problems beschlossen, sich an eine Verbesserung der Hilfen heranzuwagen, mit denen ein bestimmter automatisierter Vorgang von der personellen Zielgruppe ausgeführt, erweitert und modifiziert werden kann, wie sie unseren Kunden zur Verfügung stehen.
Es ist ein grundlegendes Ziel der Erfindung ein automatisches Steuersystem bereitzustellen, mit welchem die Apparatur schneller und leichter einzurichten ist, um die Folgen automatischer Vorgänge ablaufen zu lassen.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung die Bedienung eines automatischen Steuersystems zu ermöglichen, bei dem es keine Kollisionsgefahr und kein Eingreifen durch den Anwender bei der Zusammenstellung oder sogar während der Umstellung des Systems gibt, wenn sich eine Anzahl der Arbeitsstationen in der Geometrie merklich voneinander unterscheidet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, ist ein automatisches Steuersystem vorgesehen, wie es im Patentanspruch 1 festgelegt ist.
Das automatische Steuersystem in der Ausführungsform der Erfindung erlaubt die schnelle Durchführung aller nachfolgenden Punkte:
a) Eingabe und Speicherung der exakten relativen Position des Roboters und jeder Arbeitsstation,
b) Speicherung aller Begrenzungen des Bewegungsspielraums des Roboters im Steuersystem, die sich aus der Geometrie der Arbeitsstationen ergeben und
c) als Option automatische Aufrechterhaltung oder Aktualisierung der Information, die die relativen Positionen und die Begrenzungen des Bewegungsspielraums betreffen (d. h. Aufrechterhaltung ohne die Notwendigkeit des Eingriffs in die Programmierung des automatischen Systems durch den Anwender), wenn das System in der Weise geändert wird, daß eine oder alle der nachfolgenden Modifikationen gefordert oder veranlaßt werden:
1. Ersetzen durch neue Arbeitsstationen (z. B. eine Filter-Station anstelle einer Zentrifuge),
2. Entfernen oder zusätzliches Aufstellen von Arbeitsstationen (z. B. eine große Pipetten-Station als Zusatz),
3. Einführung eines völlig neuen Gruppe von Arbeitsstationen mit veränderter Geometrie,
4. bloßer Wechsel der ursprünglichen Position von Arbeitsstationen zur Vereinfachung eines neuen Arbeitsvorgangs und
5. "de facto-Bewegung" des Arbeitsplatzes einer Arbeitsstation während des Arbeitsvorgangs, z. B. beim Verringern der Stapelhöhe von Teilen, Füllhöhen usw.
Für die Erzielung der exakten geometrischen Beziehungen zwischen Roboter und Arbeitsstation sind eine Vielzahl von Hilfsmittel geeignet: z. B. kann jeder Roboter an einem Bezugspunkt seines Aufbaus eine Energiequelle oder einen Empfänger für Ultraschall oder Elektromagnetismus tragen, wobei die Energie nur dann ein Maximum erreicht, wenn der Roboter zur Arbeitsstation im richtigen Winkel ausgerichtet ist. Mit der Intensität der selben Energie kann ein Maß für den Abstand zwischen Objekt und Roboter ermittelt werden. Mit einfachen Mitteln läßt sich die Energiequelle, wie z. B. eine infrarote Lichtquelle, am Roboter-Manipulator anbringen. Dadurch ist die Ermittlung der genauen Stellung des Roboters in Beziehung zur Arbeitsstation möglich. Intensität und Maximierung der energetischen Strahlung kann zur Positionsbestimmung des Geräts genutzt werden. Das Gerät kann von sich aus auf einem elektronischen Übertragungsweg eine Identifikations-Kennung abgeben. Ebenfalls ist eine visuelles Robotersystem zur Erkennung der genauen Roboter-Ausrichtung möglich. In einer bildlichen Darstellung ließe sich mit der Bildgröße die Entfernung und mit den Umrissen die richtige Ausrichtung anzeigen. Somit wäre in bestimmten Systemen mit einem einzigen Blick die Position der Arbeitsstation bestimmt.
In der bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Systems zur Positionsbestimmung einer Arbeitsstation wird der Arbeitsstation eine von mehreren Positionen zugeordnet, die bereits auf einer Schablone festgelegt sind. Somit kann der Roboter-Manipulator die Arbeitsstation erreichen und bedienen. Eine Schablone verläuft in Form eines Kreissegments, wie z. B. eines Halbkreises, ausgehend von einer Mittelposition, auf der die Roboter-Arbeitsstation angeordnet ist. Die Arbeitsstationen sind jeweils auf einer von mehreren Positionen mit genauer Beziehung zum Roboter angeordnet und der Roboter-Manipulator bedient jede Arbeitsstation in radialer Ausrichtung. Es sei hier angemerkt, daß bereitstehende Arbeitsstationen in anderer Weise angeordnet sein können. Z.B. können sie von einem Roboter-Manipulator bedient werden, der auf oder innerhalb eines rechteckigen Gitters betrieben wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erhält das Roboter-System genügend Information über die Geometrie einer jeden Arbeitsstation, um den freien Bewegungsraum von Station zu Station in Beziehung zur gegenwärtigen Stellung des Roboters zu errechnen.
Die Identität und Position der Station und seiner Geometrie wird an das System auf vielfältigem Wege gemeldet.
Im System entsprechend der Ausführungsform der Erfindung ergibt sich der praktische Vorzug, daß die meisten Bedienungsanleitungen bereits im System programmiert sind. Z.B. können für den aktuellen Weg einer Pipette, die sich in vertikaler Bewegung einem Behälter in einer Arbeitsstation nähert, bereits fertig vorliegende Daten genutzt werden, die die Außenmaße des Behälters und eine Meldung über die gegenwartige Füllstandshöhe des Behälters enthalten. Diese Datengrundlage über die Pipette, die Bedienung der Pipette oder die Bedienung der Behälter und ihrer Inhalte durch die Pipette würde für alle entsprechend vorprogrammierten Arbeitsstationen laufend aktualisiert werden, wodurch eine "Datenstruktur" aufrechterhalten wird, die für die Arbeitsstationen, die diese Daten benötigen, bereitstehen würde, in gleicher Weise wie die Probe selbst für diese Arbeitsstationen bereitsteht. Kein bisheriges System war der Praxis durch solch ein anspruchsvolles Steuersystem so angepaßt, weil sich die vorhersehbaren praktischen Schwierigkeiten für das Bedienungspersonal beim Programmieren und Einrichten des Robotersystems vervielfachen würden. Es ist daher ein wichtiger Aspekt des Systems entsprechend der Ausführungsform der Erfindung, daß es durch die flexible vorgegebene Positionierung in der Erfindung möglich wird, eine in das System eingebaute Datenstruktur zu nutzen, die z. B. die Bewegung einer Probe über den Tisch emuliert und Informationen über die Probe zum Zeitpunkt, wenn die Probe selbst oder ein anderes physikalisches Objekt übertragen wird, an die Arbeitsstationen überträgt, die diese Information verwerten können.
Die Weiterführung mittels "Daten-Block" mit einem die Proben-Parameter bestimmenden Code von einer Arbeitsstation zur nächsten verhilft nicht nur zu einer besonders sorgfältigen Führung der fortschreitenden Probe, sondern es verhilft dem Roboter-System zu Kenntnissen und Vorauszusagen über Informationen, die eine bestimmte Arbeitsbedingung an einer Arbeitsstation betreffen, z. B. zu wissen, wann eine Flüssigkeitsmenge zu Ende geht, zu wissen, wann ein Reagenzglas überläuft oder, wie weit eine Pipettenspitze in ein Röhrchen eingeführt werden muß, um beim Aufziehen einer Flüssigkeit Lufteintritt zu verhindern.
Dies ist jedoch nicht zu erreichen, es sei denn der Roboter arbeitet mit großer Sicherheit bezüglich der Position der verschiedenen Arbeitsstationen, z. B. bezüglich der vertikalen Position des Reagenzglases, an welchem die Pipette angesetzt wird.
Die Idee des Datentransfer von Modul zu Modul oder innerhalb eines Moduls oder vom Modul zur Zentraleinheit oder über den Modulcode zu einem Speicher oder einem Verzeichnis, erlaubt es der Datenstruktur einer Probe zu folgen, ihren Inhalt zu kennen und vorauszusehen und wie eine bestimmte Funktion am besten zu bewerkstelligen ist. Wenn der Roboter genau "weiß", wo die Arbeitsstation steht, ist er in der Lage, mit räumlichem Empfinden Daten zu verarbeiten, wie bei einem Rauminhalt beispielsweise.
In einer solchen Ausführungsform der Erfindung würde jede Arbeitsstation zu einer bestimmten Codeliste in Beziehung stehen, die z. B. in codierter Form auf einer Diskette für eine bestimmte Arbeitsstation vorliegt.
Es ist daher ein wichtiger Aspekt des Systems entsprechend der Ausführungsform der Erfindung, daß der Gebrauch eines bestimmten Codes für die einzelnen Arbeitsstationen ermöglicht wird, die mit dem Roboter-System zusammenarbeiten, wodurch sichergestellt wird, daß die Arbeitsstationen Daten oder probenspezifische Parameter, wie Volumen-Parameter, im gesamten wirksamen Roboter-System empfangen und aussenden, wobei die probenspezifischen Parameter laufend aktualisiert werden, wenn sie mit dem Roboter-Manipulator weitergeleitet werden, der seinerseits die Probe im System von Arbeitsstation zu Arbeitsstation weiterleitet.
Wenn daher das Roboter-System eine Arbeitsstation mit Gestellen für die Reagenzgläser bedient, weiß es genug über die Röhrchen in den Gestellen - z. B. über deren Durchmesser, deren Höhe (oder der geometrische Beziehung zueinander) und das bereits im Röhrchen befindliche Flüssigkeitsvolumen - so daß das System einen die Pipettenstation betreffenden Code errechnen kann und diesen an die Arbeitsstation für Pipetten "überreicht", damit sich diese über den sie betreffenden Code während der Entnahme der Flüssigkeit aus dem Röhrchen nicht zu viel oder zu wenig in vertikaler Richtung bewegt. Außerdem werden über den die Pipette betreffenden Code beim Vorgang der Entnahme von Flüssigkeit die für die entnommene Flüssigkeit relevanten Volumendaten an die Arbeitsstation weitergeleitet, zu der die Flüssigkeit transportiert werden soll. Ebenfalls werden die Volumendaten, die das Reagenzglas betreffen, an den Code der Arbeitsstation weitergeleitet, die die Steuerung der Roboter-Funktion an der nächsten Arbeitsstation bewirken wird und zu der das Reagenzglas gebracht werden soll.
Allgemein kann das System entsprechend der Ausführungsform der Erfindung in Roboter-Systeme eingebunden werden, aber es ist besonders wertvoll beim Einsatz mit dem selbstkonfigurierenden Roboter-Steuer-System, wie es im U.S.-Patent 4.586.151 von Buote beschrieben wird. Das Patent beschreibt ein auf dem kommerziellen Markt erhältliches Steuersystem (von Zymark Corporation zu beziehen) für den Einsatz einer Anzahl unterschiedlicher Arbeitsstationen für Roboter und der Verwendung von Mitteln für Sprachenerzeugung und Speicherung in einem sogenannten Verzeichnis, um befehlsspezifische Arbeitsparameter durch codetragende Module zu erhalten, die mit Roboter-Vorrichtungen oder "Anwendungs-Mitteln" (beide Begriffe hier mit Arbeitsstation bezeichnet) verbunden sind. Mittel der Programmierung sind von Buote vorgesehen, um diese Arbeitsparameter durch den Gebrauch von Befehlssignalen zu aktivieren und sie vom genannten Verzeichnis zu den genannten Arbeitsstationen weiterzuleiten.
Der spezielle parameterspezifische Code (z. B. der Code, der bewirkt, daß die Information des Probeninhalts, die für jede Arbeitsstation erforderlich ist, verfolgt werden kann) kann im Verzeichnis des Computer-Steuer-Systems eingegeben werden, wie im System des U.S.-Patents 4.586.151 beschrieben ist, wobei ihm Information für die codetragenden, mit jeder Arbeitsstation verbunden Module hinzugefügt wird. Jedoch kann diese Art der Programmierung auch unter Verwendung von Disketten erreicht werden, die den spezifischen Code für eine bestimmte Arbeitsstation tragen und sie kann dazu dienen, die für die erforderliche Arbeitsstation bestimmte codierte Anweisung für das Computer-Steuer-System zu entschlüsseln. Dieser Ladevorgang für das Steuersystem des U.S.-Patents 4.586.151 ist auch durch Anwendungshilfen wie z. B. durch Arbeitsanweisungen und Arbeitsparameter auf Diskette zu erreichen, um Verzeichnis-Systeme, wie im obigen Patent beschrieben, abzuspeichern.
Wer mit der Technik der Steuersysteme von Robotern vertraut ist, wird bald verstehen, wie andere Systeme das Wesen der vorgegebenen Positionierung der Arbeitsstationen nutzen können, um das Fundament für die Vereinfachung der Weiterleitung von probenspezifischen Arbeitsparametern von Arbeitsstation zu Arbeitsstation zu errichten.
Bei der Anwendung dieses Steuersystems mit Vorbestimmung der Positionierung, das sich durch mehr Anpassungsfähigkeit und weniger Normierung auszeichnet und bei dem ein Schaltkreis statt einer Schablone zur Positionserkennung für die Positionsbestimmung der Arbeitsstation fungiert, wobei die Schablone den bekannten Bezug von Geometrie und Position zum Roboter-Manipulator bestimmen würde, wird die Eingabe der erkannten Position der Arbeitsstation für den Operation-Code des Systems häufig für einen folgenden Füllvorgangs notwendig werden, bevor dieser fehlerfrei ausgeführt werden kann. Z.B. kann eine Pipette in ein Röhrchen optimal in vertikaler Richtung eintauchen, falls die vertikale Ebene des Moduls ermittelt worden ist. Weiterhin kann diese Position dem Steuersystem nach erfolgter Ermittlung eingegeben werden, um sie für die Arbeitsstation und das Steuersystem und dessen Informationsaustausch mit der Arbeitsstation zu nutzen.
Verschiedene Anwendungsformen der Erfindung werden anschließend mit Verweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines durch Roboter automatisierten Labors mit Stationen für das Verfahren darstellt,
Fig. 2 eine schematische Teilansicht zur alternativen Anordnung von Arbeitsstationen in genauer Ausrichtung zum Roboter darstellt,
Fig. 3 illustriert, wie der Winkel und die Stärke der Strahlungsenergie dazu genutzt werden kann, um den genauen Positionsbezug in einem Roboter-System zwischen einer Arbeitsstation und dem Roboter-Manipulator, der die genannte Arbeitsstation bedient, zu gewährleisten,
Fig. 4 illustriert, wie die Arbeitsstationen auf einer Grundplatte in Schablonenform angeordnet werden, wie sie darauf bewegt werden und wie sie darauf befestigt sind,
Fig. 5 und Fig. 6 stellen verschiedene besondere Konfigurationen von Arbeitsstationen zur Ausführung von verschiedenen Verfahren dar.
Mit Verweis auf Fig. 1 wird ersichtlich, daß ein Laborsystem für automatisierte Verfahren aus einem auf einer zentralen Grundplatte (22) montierten Roboter-Manipulator (210) besteht. Strahlenförmig von der Grundplatte (22) ausgehend, befinden sich auf einem Tisch (30) eine Gruppe zusätzlicher, peripher angeordnete rasterförmige Grundplatten, die in ihrer Ausrichtung in Beziehung zur Grundplatte (22) stehen. Der Tisch (30) dient in einfacher Weise als Befestigungsrahmen für die Grundplatten (50-59), die als modulare Einheiten abnehmbar auf oder im Tisch (30) angeordnet sind. Diese Grundplatten können vom Tisch (30) abgenommen oder auf diesem wieder befestigt werden, wobei im Bereich des Tisches völlig unterschiedliche Anordnungen möglich sind. Ratsam ist, die Grundplatten in relativ vibrationsfreien Halterungen zu befestigen, bevor der Roboter mit der Verfahrensausführung beginnt.
Auf jeder peripheren Grundplatte ist eine Arbeitsstation befestigt. Im weitesten Sinne wird eine Arbeitsstation als eine Station definiert, an der der Roboter eine Funktion ausführt. Z.B. sind die auf den Grundplatten (50) und (52) montierten Arbeitsstationen (40) und (42) Gestelle für Reagenzgläser, wo der Roboter die Reagenzgläser oder deren Inhalt plaziert, entfernt oder in anderer Weise bedient. Solche Arbeitsstationen können als passive Arbeitsstationen betrachtet werden. Zu den anderen Arbeitsstationen, wie in Fig. 1 dargestellt, zählen eine auf einer Grundplatte (54) montierte Warmhalte-Stationen (44) zur Bereitstellung von Reagenzgläsern, eine auf einer Grundplatte (55) montierte "Park-Station" für die Hand des Roboters (45), eine auf einer Grundplatte (56) montierte Pipetten-Station (46), eine auf einer Grundplatte (57) montierte Station zum Verwirbeln und Mischen, eine auf einer Grundplatte (58) montierte Station mit einer Spektral-Fotometer-Zelle (48) und einer auf einer Grundplatte (59) montierte Zentrifugen-Station (59). Aus praktischen Erwägungen bilden die Grundplatten mit den Arbeitsstationen eine integrale Einheit und wenn von Positionierung der Arbeitsstation (in der Aufstellung der in Fig. l dargestellten Geräte) gesprochen wird, ist die Rede von der Positionierung der Arbeitsstation und ihrer Grundplatte, die so gestaltet ist, daß sie auf oder in den Tisch paßt und einen wichtigen Bestandteil der positionierenden Funktion bildet.
Alle Arbeitsstationen sind so auf ihren Grundplatten angeordnet, daß ihre Position zum Roboter festgelegt ist, wenn sie auf den Tisch (30) gesetzt werden. Nur zur Bequemlichkeit ist eine radiale Markierung (70) vorgesehen, die eine genauere Ausrichtung erleichtern soll. Das dargestellte System ist fähig, eine bestimmte Arbeitsstation zu identifizieren, wenn sie sich auf irgendeiner von mehreren die zentrale Station umgebenden vorgesehenen Positionen befindet. Außerdem sind die wesentlichen geometrische Informationen, die es dem Roboter erlauben, rationell von Station zu Station zu fahren, als feste Parameter im System gespeichert und dienen als Referenz bei der Umorganisierung vorgegebener Konstruktionen und ihrer Einschränkungen je nach Art der Arbeitsstation. Deshalb braucht sich der Arm des Roboters (60) nicht höher zu bewegen als nötig ist, wenn er ein Reagenzglas von der erwähnten Arbeitsstation mit Gestell für Reagenzgläser (40) zur Arbeitsstation (42) bewegt. Würde der Arm (60) jedoch ein Reagenzglas vom Gestell für die Reagenzgläser zur Zentrifugen-Station (48) befördern, würde das System sicherstellen, daß die Spektral-Fotometer-Station (57) umgangen wird und dies selbst dann, wenn sie nur deshalb vorhanden wäre, weil der Bediener des Systems beim letzten Umbau deren Entfernung vergessen hätte, d. h. beim neu Einrichten und bzw. oder beim Auswechseln von Arbeitsstationen, um ein neues Verfahren oder eine neue Reihe von Verfahren zu vereinfachen. Wenn z. B. die Pipetten-Station gegen eine Filter-Station ausgetauscht würde, eine Station zum Flaschenöffnen dazu käme, eine Reagenzglas-Station entfernt würde, usw. In der Praxis ist es wünschenswert, die Arbeitsstationen nach dem Ausrichten in einer genauen Position auf dem Tisch zu fixieren. Dies läßt sich leicht durch Vorrichtungen zum Einklinken oder Verriegeln zwischen Tisch Grundplatten der Arbeitsstationen erreichen.
Obwohl es verschiedene Wege gibt, die Position der Arbeitsstationen festzulegen, gibt es für den Einsatz von wenig genormten Roboter-Manipulatoren mit Wiederholungs-Funktion hierfür eine einfaches Verfahren:
Die Rechnersteuerung ist darüber informiert, daß eine Arbeitsstation auf eine von 48 Winkel-Positionen gesetzt worden ist, d. h. auf eine der Positionen, deren Abstand jeweils 3,75 Winkelgrade beträgt. Dann wird der Roboter-Manipulator angewiesen, die genaue Winkel-Position zu suchen, auf die die Arbeitsstation gesetzt worden ist. Systemtypisch wird er mit einer Abweichung von ein bis zwei Grad Abweichung von der genauen Winkel-Position abweichend bei der Arbeitsstation anhalten. Dann bewegt der Bediener die Arbeitsstation so, daß die richtige radiale Position gefunden wird, d. h. die Position, die der Roboter-Manipulator eigentlich einnehmen sollte und erst dann fixiert er die Arbeitsstation. Der einzelne Roboter-Manipulator arbeitet natürlich so, daß er immer wieder zu der fixierten Position zurückkehrt. (Irgendwelche Abweichungen zwischen unterschiedlichen Roboter-Manipulatoren, die bei dieser Art von Einstellung auftreten könnten, sollten nicht als vermeintlicher Mangel des Wiederholungsverhaltens eines bestimmten Roboter-Manipulators ausgelegt werden, sobald der Einrichtungsvorgang abgeschlossen ist). Dies ist eine gute Methode um schnelles Einrichten zu erreichen und Probleme zu vermeiden, die sich aus Unterschieden von Roboter zu Roboter ergeben können.
Deshalb ist es wünschenswert, wie in Fig. 4 ersichtlich, kleine radiale Lücken von vielleicht 3 bis 6 Winkelgraden Breite zwischen den Grundplatten der Arbeitsstationen (204) offenzulassen, um eine Anpassung der Positionierung vorzunehmen, wie es durch die Pfeile (205) angezeigt wird, bevor die Grundplatten an ihren Plätzen auf dem Schablonen-Tisch mit den Vorrichtungen zum Verriegeln (208) fixiert werden. Der momentan verfügbare Roboter von Zymark Corporation aus Hopkinton, Massachusetts mit dem Markenzeichen "Zymate" ist für diesen Anwendungsbereich geeignet. Es sollte beachtet werden, daß das Verschieben der Grundplatte (204) durch die Verwendung von reibungsarmen Material erleichtert wird, wie z. B. Polyacetalpolymerdelrin, erhältlich bei DuPont oder einem Fluorkohlenstoffpolymer wie Teflon, beim selben Lieferanten erhältlich. Sogar Polypropylen ist zu verwenden. Auch sollten die Kanten der Grundplatten (204), die an den Aufbau der Halterung des Roboters (201) stoßen, vorteilhaft so gestaltet sein, daß wesentlich weniger als die gesamte Kante (212) gleitenden Kontakt mit dem Aufbau (210) hat. Statt dessen reicht ein Kontakt der Außenbereiche (214) zum Gleiten entlang des Aufbaus (210) aus gleiten.
Die vorhergehend beschriebene Näherung an die Position, obwohl sehr einfach, ist nicht unbedingt nötig. Der Roboter-Manipulator kann zum Sehen oder Erkennen der genauen physikalischen Position der Arbeitsstation veranlaßt werden und dann seine Position errechnen (und aufgrund der genauen Position, auf der er sich selbst befindet, auch die Positionen der anderen Arbeitsstationen).
Es gibt verschiedene Methoden, um das System über die Anwesenheit einer bestimmten Arbeitsstation auf einer bestimmten Position zu informieren. In einer Ausführungsform der Erfindung wird der Arbeitsstation Information mitgeliefert, die dazu dient, kundenspezifische Daten für das Operationssystem auf Diskette bereitzustellen. In einfacher Weise wird beim Vorliegen der Diskette durch den Computer die Position der Arbeitsstation ermittelt (durch Aufrufen der Antwort auf dem Monitor), um den jeweiligen Funktionstyp in die Position zu bringen. Dies wird systemtypisch durch die Beziehung zwischen den Markierungen der Winkelabstände (70) auf der zentralen Grundplatte (22), gelegentlich Fixplatte genannt, zu den nach innen weisenden Einstellmarken auf den Grundplatten (50) bis (59) erzielt.
Wiederum kann solche Information im Operationssystem geladen werden, z. B. durch das im U.S.-Patent 4.586. 151 beschriebene "Verzeichnis". Dies kann auf einer Festplatte oder in einer internen, programmierbaren Logik in einem im Patent beschriebenen Modul.
Fig. 2 und Fig. 3 verweisen auf ein anderes Hilfsmittel zur Positionierung einer Arbeitsstation, um die richtige winkelabhängige Ausrichtung zum Roboter-Manipulator festzulegen. Zum Einsatz kommt eine Quelle für Strahlungsenergie. Mit Strahlungsenergie ist jede Strahlungsquelle gemeint, sei es Ultraschall, sichtbares Licht oder ein anderer Anteil des elektromagnetischen Spektrums.
Mit Verweis auf Fig. 2 wird ersichtlich, daß der Manipulator (100) eine Energiequelle in Form einer Infrarot-Lichtquelle (102) trägt. Die Arbeitsstation (104), in diesem Falle die Hand eines Roboters, befindet sich an irgendeiner Position im Einsatzbereich, die durch die Anordnung der Arbeitsstation auf einer Oberfläche mit Bezug auf die vorbestimmte Höhe zum Roboter-Manipulator festgelegt ist. Die Arbeitsstation (104) trägt einen energieaufnehmenden Wandler (106), z. B. einen Infrarotsensor, dessen Ausgang dem Roboter-System Hinweise über den Ort des Roboters zur Speicherung übermittelt.
Ist das Gerät positioniert, veranlaßt der Bediener den Roboter zu einer Drehung um den Winkel "a" in einer Ebene parallel zum Tisch, bis der Sensor (104) die maximale Energieintensität empfängt. Damit steht der Winkel "a" in Übereinstimmung mit der Position für maximale Intensität entsprechend der Kurve in Fig. 3. Der Sensor wird weiterhin die Intensität des Systems messen und von seinem Standort aus genaue Kenntnis über die Entfernung zur Energiequelle (102) haben.
In der Praxis ist es angebracht, diese Information, d. h. die Intensität zurück ins System zu übertragen und als Entfernungsparameter zu verarbeiten. Als bester Weg hierfür erweist sich die Eingabe ins Verzeichnis eines Roboter-Systems durch die Arbeitsstationen.
Das U.S.-Patent 4.586.151 beschreibt ein Roboter-Steuersystem für den Einsatz einer Anzahl unterschiedlicher Roboter-Module. Das System besteht aus einer Spracherzeugung und einer Speichervorrichtungen, wobei die Vorrichtung zur Spracherzeugung in der Lage ist, befehlsspezifische Arbeitsparameter von einem Roboter-Modul zu übernehmen, d. h. Verarbeitungs-Hinweise in codierter Form für eine entsprechende Arbeitsstation. Außerdem besteht das System aus Vorrichtungen zur Übertragung der Arbeitsparameter, der bekannten Erkennungsmerkmale des Roboter-Moduls und eines ausgewählten Namens dieser Parameter für die Speichervorrichtung im Verzeichnis. Es ist eine Programmier-Vorrichtung vorgesehen, die die Arbeitsparameter unter Verwendung des ausgewählten Namens als Befehlssignal zur Übertragung an das Module dieser Arbeitsstation aktiviert.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das System aus einer Anzahl ausgewählter Namen für jedes Modul aus einer Anzahl unterschiedlicher Roboter-Module, wobei sich jeder Name auf eine andere Arbeitsstation oder auf den Roboter-Manipulator bezieht. Einige der Namen ihrerseits bestehen aus einer Anzahl von Arbeitsparameter-Gruppen in der Verzeichnis-Vorrichtung. Die zusammengefaßten ausgewählten Namen bilden ein geräteunabhängiges Steuermittel in Sprachform für die Folge der Arbeitsschritte eines jeden dieser Roboter-Module in einem dieser Systeme.
Das im U.S.-Patent 4.568.151 beschriebene System besteht im allgemeinen aus einer Computer-Steuervorrichtung mit einer Zentraleinheit, einem Operationssystem mit wenigstens einem Kern, einer Programmier-Einheit für die Neufestlegung der Folge von Arbeitsschritten, Hilfsmittel für die Aufgabenunterstützung und eine Arbeitsstation für Roboter mit einem erstem Modul, das die erforderliche Logik für die Arbeit der Arbeitsstation oder des Roboter-Manipulators (im Patent 4.586.151 als Arbeitsstation betrachtet) bereitstellt. Dieses erste Modul besitzt eine Vorrichtung zur Bildung eines Steuerblock-Kennzeichens, eine Vorrichtung zur Bildung eines Start-Offset-Signals für den Computer und eine Vorrichtung in Form einer Eingang-Ausgang-Schnittstelle als Bindeglied zwischen Computer und Roboter-Vorrichtungen, d. h. der Arbeitsstation oder des Roboter-Manipulator.
Die Apparatur besteht außerdem aus einer ersten physikalischen Schnittstelle, um eine Anzahl trennbarer elektrischer Verbindungen zwischen dem Computer und dem ersten Modul bereitzustellen, wodurch sich die komplette Gerät-Logik für die Roboter auf der Seite der physikalischen Schnittstelle befindet, an der die Roboter-Geräte angeschlossen sind, d. h. Geräte für die Ausführung einer definierten Aufgabe.
Ein zweites anderes Modul stellt die komplette Geräte-Logik für die aufgabeausführende Vorrichtung (d. h. eine Arbeitsstation) bereit und ist mit dem Modul elektrisch verbunden. Dieses zweite Modul besitzt eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Steuerblock-Kennzeichens und eines Start-Offset-Signals für den genannten Computer und außerdem Vorrichtungen in Form einer Eingang-Ausgang-Schnittstelle als Bindeglied zwischen Computer und den Vorrichtung für die Ausführung der definierten Aufgabe.
Eine zweite physikalische Schnittstelle stellt eine Anzahl trennbarer elektrischer Verbindungen zwischen dem Computer und dem zweiten Modul her. Dadurch befindet sich die komplette Gerät-Logik für die Vorrichtung zur Ausführung einer definierten Aufgabe auf der Seite der physikalischen Schnittstelle, an der die Vorrichtung angeschlossen ist, die der Ausführung einer definierten Aufgabe dient. Deshalb wird in der bevorzugten Ausführungsform dem zweiten Modul eine Schnittstelle für jede Arbeitsstation bereitgestellt.
Jedoch stellt es in der durch den Anmelder vorgelegten Ausführungsform der Erfindung eine Belastung dar, daß Teile der Datenlogik, d. h. Codes für die Ausführung der definierten Aufgabe, in das Computer-Steuersystem direkt eingegeben werden können, statt ein wesentlicher Inhalt des Moduls für die jeweilige Arbeitsstation darzustellen.
Daraus resultiert ein Pseudocode für eine typische probenspezifische Datenverarbeitung. Beim Vorgang der Entnahme einer Probe aus einer Arbeitsstation durch den Roboter-Manipulator können probenspezifische Daten aus einer Anzahl Quellen entnommen werden: von einem vorprogrammierten Datenmodul oder einer vorprogrammierten Diskette für die Bedienung der entsprechenden Arbeitsstation, von einem Modul oder einer Diskette mit Bezug zu einer anderen Arbeitsstation oder vom Steuersystem des Roboters. Jedoch werden beim Einsetzen einer Probe in eine Arbeitsstation alle probenspezifischen Daten über das Steuersystem des Roboters kommen, statt direkt von einer Datenquelle mit Bezug zu einer Arbeitsstation.
PSEUDOCODE FÜR PROBENSPEZIFISCHE DATENVERARBEITUNG.
A. OPERATION FÜR ENTNAHME ODER ERHALT EINER PROBE VON EINER STATION.
BEWEGE ROBOTER ZUM ZUGANGSBEREICH DER STATION. ENTNEHME PROBE.
LADE PROBENSPEZIFISCHE DATEN IN ROBOTER-REGISTER.
PROBEN-ID = STATIONSPROBEN-ID.
PROBENNETTOGEWICHT = STATIONSPROBENGEWICHT.
PROBENLEERGEWICHT = STATIONSPROBENLEERGEWICHT.
PROBENVOLUMEN = STATIONSPROBENVOLUMEN.
BEHALTERBESCHREIBUNG = STATIONSBEHALTERBESCHREIBUNG.
ANDERE BESCHREIBUNGEN = ANDERE STATIONSBESCHREIBUNGEN.
BEWEGE ROBOTER AUS STATIONSBEREICH
B. OPERATION FÜR PROBENZUFUHRUNG AN EINE STATION.
BEWEGE ROBOTER ZUM ZUGANGSBEREICH DER STATION. SETZE PROBE AB.
LADE PROBENSPEZIFISCHE DATEN IN ROBOTER-REGISTER.
STATIONSPROBEN-ID = PROBEN-ID
STATIONSPROBENGEWICHT = PROBENGEWICHT
STATIONSPROBENLEERGEWICHT = PROBENLEERGEWICHT
STATIONSPROBENVOLUMEN = PROBENVOLUMEN
STATIONSBEHALTERBESCHREIBUNG = BEHÄLTERBESCHREIBUNG
ANDERE STATIONSBESCHREIBUNGEN = ANDERE
BESCHREIBUNGEN
BEWEGE ROBOTER AUS STATIONSBEREICH
C. OPERATION EINER STATION FÜR ZUFÜGEN VON FLÜSSIGKEIT IN EINEN BEHÄLTER.
WENN (ZUZUFÜGENDES FLÜSSIGKEITSVOLUMEN) + (PROBENVOLUMEN)
GRÖSSER IST ALS (BEHÄLTERVOLUMENMAXIMUM) DANN FÜHRE AUS.
WARNMELDUNG AUF ANZEIGE.
ABBRUCH SYSTEMOPERATION.
ENDE.
FÜHRE ERSATZ AUS.
FÜGE BEHALTER FLÜSSIGKEIT ZU.
(PROBENVOLUMEN) = (PROBENVOLUMEN) + (ZUGEFÜGTES FLÜSSIGKEITSVOLUMEN).
ENDE.
D. OPERATIONEN ZUR ÄNDERUNG ANDERER ELEMENTE DER PROBENSPEZIFISCHEN DATEN MIT ANALOGER ARBEITSWEISE.
DIE OPERATION KANN ZUERST ÜBERPRÜFEN, OB DAS BEABSICHTIGTE ERGEBNIS KEINE ÜBERSCHREITUNG DER PROBENSPEZIFISCHEN GRENZE HERVORRUFT. WENN DAS ERGEBNIS INNERHALB DER GRENZEN LIEGT, WIRD DIE OPERATION AUSGEFÜHRT.
Fig. 5 stellt ein System (300) in einer Ausführungsform der Erfindung zur Ausführung der Titration nach Karl Fischer dar und besteht, wie die Arbeitsstationen in der Zeichnung schematisch zeigen, aus einer Wiegestation (302), einem Gestell für Reagenzgläser (304), einer Vibratorhand (308), einer Station zum Verschließen (310), einer Station für die Abgabe von Lösungsmittel (312) und einer automatischen Titrations-Vorrichtung (314). Das System erlaubt dem Bediener die Anzahl der Wiederholungsdurchläufe für jede Probe, die Probenzahl, den Durchlauf zwischen Zell-Waschungen, die Anzahl der Stunden zwischen Typisierungs-Prozeduren, die Zell-Umrührzeit vor der Titration und die Zell-Umrührgeschwindigkeit einzugeben. Jedoch braucht sich der Bediener, nachdem er der in dieser Offenbarung beschriebenen Eingabeprozedur gefolgt ist, nicht um die geometrische Steuerung des Roboter-Manipulators zu kümmern, wenn er die mit Pulver bestäubten Proben aufnimmt, um sie zur Feuchtigkeitsbestimmung vom automatischen Titrations-System bearbeiten zu lassen.
Fig. 6 stellt einen Hochdruck-Flüssigkeits-Chromatographen (HPLC) dar, dessen System folgende Arbeitsstationen benutzt eine Wiegestation (402), ein Gestell für Reagenzgläser (404), eine Vibratorhand (406), eine Pipetten- und Filter-Station (408), eine Station zum Verdünnen und Lösen (410) und eine Einspritz-Station für die Flüssigkeits-Chromatographie (412). Das System ist für automatisches Wiegen der Proben vorgesehen, es zählt interne Maße hinzu, es bereitet Lösungen, fügt extrahierte Lösungsmittel hinzu, mischt die Proben durch Verwirbeln, befördert die Standardproben weiter und injiziert die Proben für die Chromatographen-Säule.
Der Bediener bestimmt das Zielgewicht der Probe, die Menge des internen Norm-Reagens, das Volumen der Verdünnung und des extrahierten Lösungsmittels, die Misch-Dauer und -Intensität und das Volumen der zu befördernden Standardproben. Das System ist für eine Erweiterung vorgesehen, um zusätzliche Arbeitsstationen aufzunehmen, wie z. B. eine zusätzliche Station zum Verschließen, ebenso wie eine Schüttel-Station.
Der Zeitablauf für die Bewegung einer Anzahl von Proben in einer Folge (Zyklus) von Verfahrensschritten, weist Verfahren auf, an denen normalerweise Schritte beteiligt sind, bei denen eine gewisse "roboterfreie" Zeit anfallt, wenn Proben im Prozeß sind, die für eine Zeitspanne keine Verwendung für Beförderung, Halten oder sonstige Behandlung durch den Roboter-Manipulator haben. In einem solchen Falle ist es wünschenswert, daß (a) eine Gesamtzeit festgelegt wird, gleichbedeutend mit dieser roboterfreien Zeit, welche durch den kleineren Betrag vom (1) ganzzahligen Anteil des Verhältnisses der Standzeit des Roboter-Manipulators im Zyklus zur Einsatzzeit des Roboter-Manipulators im Zyklus und (2) der geringsten Anzahl von Abständen beim Erhalt von Proben bei einem roboterfreien Schrift geteilt wird und (b), daß der Roboter-Manipulator veranlaßt wird, wenn er verfügbar ist, das Verfahren für jede Probe mit dessen Vorrücken im (oder dessen Einbringen in den) Zyklus mit einem Probenvorrang abzuschließen, der auf dem letzten Schritt im Zyklus beruht und den größten Vorrang erhält und dem ersten Schrift im Zyklus, der den geringsten Vorrang erhält. Wenn der Roboter-Manipulator in einer bestimmten Zeit nicht verfügbar ist, fährt die Zyklus-Steuerung fort durch Veranlassung des Manipulators, die von ihm bearbeitete Probe dem nächsten Schritt des Zyklus zuzuführen und die Funktion für diesen nächsten Schritt auszuführen. Der Schritt zur Festlegung der Zyklus-Zeit und der Schritt zur Festlegung der Vorrang-Schritte sind miteinander zeitlich verknüpft und stellen ein Mittel für hohe Leistungsfähigkeit bei serieller Verarbeitung von ähnlichen Proben dar.
Aus dem Vorhergehenden wird ersichtlich, daß hier ein automatisiertes Verfahrenssystem bereitgestellt wird, bei dem die Vermeidung von Kollisionen erzielt wird, selbst dann, wenn einem ursprünglichen System von Arbeitsstationen neue Arbeitsstationen mit abweichender Geometrie hinzugefügt werden und selbst dann, wenn die ursprünglichen Arbeitsstationen auf andere als die Positionen, auf denen sie ursprünglich aufgestellt waren, wechseln.
Das System weist ein teilweise genormtes geometrisches Schema auf und eignet sich für die Einführung und kundenspezifische Konfiguration bei einer Vielzahl industrieller Anwender und durch seine teilweise Normierung sind anspruchsvolle, mathematisch ermittelbare Bewegungsschritte als Standard praktikabel, die nicht vom Anwender entwickelt werden müssen.
Das System vereinfacht die Weiterleitung von probenspezifischen Steuerdaten zu einer Reihe Arbeitsstationen parallel mit dem mechanischen Durchlauf der Proben durch diese Stationen.

Claims

1. Automatisches Steuersystem, bestehend aus robotergesteuerter Manipulationseinrichtung (20, 100) und einer Anzahl Verfahrenseinrichtungen (40, 42, 44 bis 49, 104, 302, 304, 308, 310, 312,314,402,404,406,408,410,412), welche in irgendeiner Position innerhalb der Reichweite der Manipulationseinrichtung angeordnet sind, wobei das System besteht aus:

a) Speichereinrichtung für die Information über die Geometrie jeder Verfahrenseinrichtung;

b) Positions-Meldeeinrichtung, zur Kommunikation mit jeder Verfahrenseinrichtung verbunden, um die Identität und die geometrisch besetzte Position der Verfahrenseinrichtung relativ zur Manipulationseinrichtung in die Speichereinrichtung zu übertragen;

c) Führungseinrichtung für Stellung und Position, zur Erreichung und Sicherstellung einer geeigneten geometrischen Abhängigkeit der Verfahrenseinrichtung zur Manipulationseinrichtung und deren Aufrechterhaltung, selbst wenn die Verfahrenseinrichtung auf eine andere Position der Positionen für eine Anzahl von Verfahrenseinrichtungen gerückt ist und

d) Bewegungssteuereinrichtung für die Manipulationseinrichtung, welche auf alle Positions- und Geometrie-Informationen reagiert und auf Bewegungspfaden kollisionsfreie Bewegung der Manipulationseinrichtung zwischen allen Verfahrenseinrichtungen sicherstellt.

2. System nach Anspruch 1, worin die Führungseinrichtung für Stellung und Position als Schablone ausgeführt ist (50 bis 59, 204), welche in einem Bezug zur Manipulationseinrichtung befestigt ist und als Einrichtung so ausgeführt ist, daß sie die Strukturen der Verfahrenseinrichtungen aufnimmt und hält, beschränkt in Ausrichtung auf die Operationsachse der Manipulationseinrichtung.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, worin die Führungseinrichtung für Stellung und Position aus einer Einrichtung für Aussendung von Strahlung (102) und einer Einrichtung zum Empfang von Strahlung (106) besteht, welche an gegenüberliegenden Endpunkten eines Bewegungspfades zwischen der Manipulationseinrichtung und einer Verfahrenseinrichtung angeordnet sind, in der Weise, daß aus der Strahlung, die durch die Einrichtung zum Empfang von Strahlung erhalten wird, ein optimales Signal für den Bewegungspfad gewonnen werden kann.

4. System nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin die Geometrie-Information wenigsten aus Information über die Höhen-Abhängigkeit von wenigstens einer Verfahrenseinheit und Information über die Abhängigkeit der radialen Entfernung zwischen der Struktur der Verfahrenseinrichtung und der Manipulationseinrichtung bestellt.

5. System nach Anspruch 4, worin sich die Information auf die Höhe einer Anzahl von Verfahrenseinrichtungen bezieht.

6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin ein probenspezifischer Code für das System aus einer Anzahl von Verfahrenseinrichtungen eingegeben wird, der während der Manipulation der Probe durch den Roboter verwendet wird, wobei der Code dazu dient, probenspezifische Daten festzuhalten, so daß, wenn die Probe von einer Verfahrenseinrichtung zu einer anderen Verfahrenseinrichtung weitergereicht wird, jeder Verfahrenseinrichtung ein Block von probenspezifischen Daten bereitgestellt wird, wodurch die Wirkungsweise der Prozesse der Verfahrenseinrichtung gesteigert wird, wenn die Probe zu dieser Verfahrenseinrichtung weitergeleitet wird.

7. System nach Anspruch 6, worin der probenspezifische Code dazu verwendet wird, um Information über Inhaltsmesungen in Abhängigkeit zum Prozeß der Probe festzuhalten.