DE102004027661B4 - Antriebsanordnung für ein Robotsystem - Google Patents

Abstract

Antriebsanordnung für ein Robotsystem, umfassend eine im wesentlichen rechteckige Grundplatte (1), Führungsschienen (2) mit motorisch betriebenen Schlitten (4) zur Ausführung einer Bewegung in verschiedenen Richtungen sowie eine Einhausung (8), wobei die Grundplattenfläche in einen Achssystembereich und einen Probenbereich (9) geteilt ist,
im Achssystembereich parallel zu einer Außenkante der Grundplatte (1) die Führungsschienen (2) für die Bewegung in X-Richtung befindlich sind, wobei der in X-Richtung verfahrbare Schlitten (4) eine Antriebseinheit zur Bewegung des Werkzeugs in Z-Richtung aufweist und wobei weiterhin am in Z-Richtung (5) verfahrbaren Schlitten eine weitere Antriebseinheit (6) für eine Dreh- oder Schwenkbewegung des Werkzeugs angebracht ist sowie der gesamte Achssystembereich mit Ausnahme einer turmartigen Werkzeugaufnahme (7) mit einer Einhausung (8) versehen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Bereich des Verstellwegs der turmartigen Werkzeugaufnahme (7) die Einhausung (8) eine schlitzartige Ausnehmung aufweist, welche durch ein mitlaufendes flexibles Band (12) oder eine derartige Folie verschlossen ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für ein Robotsystem, umfassend eine im wesentlichen rechteckige Grundplatte, Führungsschienen mit motorisch betriebenen Schlitten zur Ausführung einer Bewegung in verschiedenen Richtungen sowie eine Einhausung, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Antriebseinrichtungen für Robotsysteme als Schlitten ausgeführt, welche in verschiedenen Achsrichtungen motorisch beweglich sind, gehören zum Stand der Technik.
• Auf die Anmelderin zurückgehend wurden hängende Dreiachs-Systeme entwickelt, die für Vorrichtungen zur Isolierung und Behandlung von Zellen Anwendung fanden. Eine derartige hängende, an einem Rahmen befindliche Drei-Achs-Konstruktion ist insofern nachteilig, als dass ein großer Bauraum benötigt wird und in der von der Achs-Konstruktion umspannten Fläche für andere Zwecke nicht nutzbares Volumen blockiert ist.
• Darüber sind die über den Probenbereich verfahrenden Y- und Z-Achsen der Lösung des Standes der Technik nicht reinraumtauglich, und zwar aufgrund freiwerdender Partikel, beispielsweise Abrieb oder von Schmiermitteln herrührend. Wird ein derartiger Antrieb in eine Flow-Box verbracht, dann stören die Schmutzpartikel die dortige laminare Schutzströmung in starkem Maße.
• Ein weiterer Nachteil des bekannten Achssystems ist die mangelnde Stabilität der hängenden Ausführung am Tragrahmen, so dass auch geringe äußere Einflüsse zu Positionsabweichungen führen und aufwendige Nachjustierungen erforderlich werden.
• Die JP 10157847 A zeigt ein Mehrachsensystem mit angetriebenen Einzelachsen zurückgehend auf Riemen- und Spindeltriebe. Auch bei dem Laborstraßensystem nach US 2002/0009394 A1 sind Robot-Antriebssysteme vorhanden, um verschiedene Manipulationen ausführen zu können.
• Einen Manipulator auf der Basis eines Drei-Achs-Systems mit linearen Achsen zeigt die US 6,358,749 B1 .
• Bei der Laborstraße nach EP 0 882 500 A1 sind verschieden Einzelmodule, wie Pipetierautomaten und Reaktionsbehälter über einen an sich bekannten Knickarmroboter verbunden, welcher zusätzlich auf einer Längsachse verschieblich angeordnet ist.
• Die DE 102 46 211 A1 bezieht sich auf eine Labor-Arbeitsstation zum Bereitstellen von Proben, wobei dort ausschließlich lineare Achsen mit entsprechenden Antrieben gezeigt sind.
• Ein Mehrachsenantrieb für ein Robotsystem ist auch in der US 2002/0102156 A1 offenbart, jedoch ohne Kapselung, mit der Folge möglicher Kontaminationen und den sich daraus ergebenden Nachteilen beim Arbeiten unter Reinraumbedingungen.
• Die Probenentnahme und Positioniereinrichtung nach WO 00/02030 ermöglicht Bewegungen in Z-Richtung mit zusätzlichem Verschwenken des Probennahmekopfes.
• Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Antriebsanordnung für ein Robotsystem, insbesondere geeignet für eine Verwendung zur Ausführung von automatischen Manipulationen im Bereich der Isolierung und Behandlung von Zellklonen und Einzelzellen anzugeben, welche mechanisch sehr stabil ist, d.h. über eine große Steifigkeit verfügt, und die geeignet ist, eine Arbeit unter sterilen Bedingungen zu ermöglichen.
• Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Antriebsanordnung in der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie eine spezielle Verwendung beinhalten.
• Demnach besteht der Grundgedanke der Erfindung darin, alle Antriebe der einzelnen Achskomponenten außerhalb des Sterilbereichs zu positionieren und das Antriebssystem liegend, d.h. auf einer Grundplatte stabil angeordnet auszuführen.
• Es wird demnach die Grundplattenfläche in einen Achssystembereich und einen Probenbereich geteilt. Der Achssystembereich wird vollständig verkleidet, so dass Verschmutzungen des Reinraums verringert werden können. Durch die Möglichkeit des Anlegens von Unterdruck innerhalb der Verkleidung des Achssystems verbessert sich zudem die Reinraum-Tauglichkeit der gesamten Anordnung.
• Weiterhin ist im Achsbereich parallel zu einer Außenkante der Grundplattenfläche die Führungsschiene bzw. mehrere Führungsschienen für die Bewegung in Y-Richtung befindlich, wobei der in Y-Richtung verfahrbare Schlitten eine Antriebseinheit zur Bewegung des Werkzeugs in Z-Richtung aufweist.
• Weiterhin ist am in Z-Richtung verfahrbaren Schlitten eine Antriebseinheit für eine Dreh- oder Schwenkbewegung des Werkzeugs angebracht.
• Die Werkzeugaufnahme ist turmartig ausgebildet und reicht aus der vorerwähnten Einhausung bzw. Kapselung heraus.
• Der Probenbereich weist einen Vorlagen- oder Probentisch auf, wobei mindestens dieser Teil der Anordnung beim Betrieb zum Zweck des automatischen Manipulierens von einer Steril- oder Laminarbox aufgenommen wird.
• Die turmartige Werkzeugaufnahme besitzt einen Flansch zur Befestigung eines Werkzeugarms, wobei innerhalb des Flansches ein Steckkontakt für die Herstellung notwendiger elektrischer, pneumatischer und/oder fluider Verbindungen befindlich ist.
• Im Bereich des Verstellwegs der turmartigen Werkzeugaufnahme ist die Kapselung mit einer schlitzförmigen Ausnehmung versehen, welche durch ein mitlaufendes flexibles Band oder eine derartige Folie verschlossen ist.
• Quer zum Achssystem und zum Probenbereich befindet sich bei einer Ausführungsform der Erfindung an einem Ende der Grundplatte eine Aufnahme für Kulturen oder dergleichen sowie für ein Mikroskop und/oder eine elektronische Bildaufnahmeeinrichtung.
• Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
• Hierbei zeigen:
• 1 eine Prinzipdarstellung des Achssystems ohne Kapselung (linker Bildteil) sowie mit Kapselung (rechter Bildteil) und
• 2 eine fotografische Darstellung der einsatzbereiten Antriebsanordnung für ein Robotsystem zur Manipulation von Zellklonen.
• Wie aus der 1 ersichtlich, ist auf einer Grundplatte 1 ein Paar von Führungsschienen 2 angeordnet, um über einen Schneckenantrieb 3 eine Bewegung eines Schlittens 4 in Y-Achsenrichtung zu gewährleisten.
• Am Schlitten 4 ist die Verstelleinrichtung für die Z-Achse 5 angebracht. An dem in Z-Richtung verfahrbaren Schlitten ist wiederum eine Antriebseinheit 6 für eine Dreh- oder Schwenkbewegung der Werkzeugaufnahme 7 befindlich.
• Das gesamte Achssystem wird mit Ausnahme der turmartig ausgebildeten Werkzeugaufnahme 7 mit einer Kapselung bzw. Einhausung 8 versehen.
• Wie aus der 1 entnehmbar, ist die Grundplatte 1 in zwei Bereiche eingeteilt, wobei sich das Achssystem im linken Grundplattenteil gemäß figürlicher Darstellung befindet. Der rechte Teil der Grundplatte 1 bildet den sogenannten Probenbereich 9 (siehe 2).
• Hierfür ist auf dem Probenbereich 9 ein Vorlagen- oder Probentisch (siehe 2) vorhanden. Mindestens dieser Teil der Anordnung kann beim Betrieb zum Zweck des automatischen Manipulierens von einer Steril- oder Laminarbox aufgenommen werden. Durch das vollständige Einhausen des Achssystems wird der Sterilbereich bzw. der Bereich unterhalb oder innerhalb einer Laminarbox nur gering, d.h. in vernachlässigbarer Weise mit Schmutzpartikeln, z.B. herrührend von Abrieb oder Schmiermitteln kontaminiert.
• Die turmartige Werkzeugaufnahme 7 besitzt einen Befestigungsflansch 10 zur Aufnahme eines Werkzeugarms, der in der 2 erkennbar ist.
• Innerhalb des Befestigungsflansches 10 ist ein Steckkontakt 11 für die Herstellung notwendiger elektrischer, pneumatischer und/oder fluider Verbindungen befindlich.
• Im Bereich des X-Achsenverstellwegs der turmartigen Werkzeugaufnahme 7 besitzt die Kapselung oder Einhausung 8 eine schlitzartige Ausnehmung, welche durch ein umlaufendes flexibles Band 12 im Betrieb verschlossen ist.
• Aus der Beschreibung gemäß Ausführungsbeispiel wird deutlich, dass alle Antriebe für die Achskomponenten außerhalb des einsatzrelevanten Sterilbereichs positioniert wurden. Durch die Anordnung des Achssystems auf einer Grundplatte ist die Gesamtkonstruktion steifer und es ist die Ausführung der Bewegung des jeweiligen Werkzeugs mit höherer Genauigkeit und Reproduzierbarkeit möglich.
• Durch die vollständige Verkleidung werden Verschmutzungen des Reinraums erheblich verringert.
• Durch Anlegen von Unterdruck innerhalb der Verkleidung bzw. der Einhausung des Achssystems ist eine hohe Reinraum-Tauglichkeit der Gesamtanordnung gegeben.
• Im Vergleich zum auf die Anmelderin selbst zurückgehenden Stand der Technik konnte eine Verkleinerung der Außenmaße gemäß Ausführungsbeispiel um ca. 20% erreicht werden, wobei die Anzahl der Vorlagenplätze im Probenbereich nahezu um das Doppelte erhöht ist.
• Aufgrund der Verringerung bewegter Massen und mit Blick auf den steiferen Aufbau ist die Verfahrgeschwindigkeit erhöht, so dass bei Anwendung der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung sich der Anlagendurchsatz verbessert.
• Die integrierte Steckkontakt-Ausführung ermöglicht einen einfachen Werkzeugwechsel. Mit Blick auf den Einsatz einer Schwenkachse kann eine geschlossene Kabeldurchführung zum Werkzeug erfolgen, was einen weiteren anwendungsseitigen Vorteil darstellt.
• Die im Vergleich zu hängenden Achskonstruktionen geringere Bauhöhe, aber auch reduzierte Gerätebreite ermöglicht es, dass die gesamte Anordnung in eine übliche Flow-Box eingebaut bzw. integriert wird. Sonderkonstruktionen sind demnach nicht erforderlich, so dass sich die Kosten beim Betrieb der Antriebsanordnung weiter reduzieren.

1

Grundplatte

2

Führungsschiene

3

Schneckenantrieb

4

X-Schlitten

5

Verstelleinrichtung für Z-Achse

6

Antriebseinheit für Schwenkbewegung der Werkzeugaufnahme

7

Werkzeugaufnahme

8

Einhausung

9

Probenbereich

10

Befestigungsflansch

11

Steckkontakt

12

flexibles Band

Claims (7)

1. Antriebsanordnung für ein Robotsystem, umfassend eine im wesentlichen rechteckige Grundplatte (1), Führungsschienen (2) mit motorisch betriebenen Schlitten (4) zur Ausführung einer Bewegung in verschiedenen Richtungen sowie eine Einhausung (8), wobei die Grundplattenfläche in einen Achssystembereich und einen Probenbereich (9) geteilt ist, im Achssystembereich parallel zu einer Außenkante der Grundplatte (1) die Führungsschienen (2) für die Bewegung in X-Richtung befindlich sind, wobei der in X-Richtung verfahrbare Schlitten (4) eine Antriebseinheit zur Bewegung des Werkzeugs in Z-Richtung aufweist und wobei weiterhin am in Z-Richtung (5) verfahrbaren Schlitten eine weitere Antriebseinheit (6) für eine Dreh- oder Schwenkbewegung des Werkzeugs angebracht ist sowie der gesamte Achssystembereich mit Ausnahme einer turmartigen Werkzeugaufnahme (7) mit einer Einhausung (8) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Verstellwegs der turmartigen Werkzeugaufnahme (7) die Einhausung (8) eine schlitzartige Ausnehmung aufweist, welche durch ein mitlaufendes flexibles Band (12) oder eine derartige Folie verschlossen ist.
2. Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einhausung (8) einen Vakuumsauganschluss zum Anlegen eines Unterdrucks aufweist.
3. Antriebsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenbereich (9) einen Vorlagen- oder Probentisch aufweist und mindestens dieses Teil der Anordnung beim Betrieb zum Zweck des automatischen Manipulierens von einer Steril- oder Laminarbox aufgenommen ist.
4. Antriebsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die turmartige Werkzeugaufnahme (7) einen Flansch (10) zur Befestigung eines Werkzeugarms aufweist.
5. Antriebsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Flansches (10) ein Steckkontakt (11) für die Herstellung notwendiger elektrischer, pneumatischer und/oder fluider Verbindungen befindlich ist.
6. Antriebsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass quer zum Achssystem und Probenbereich (9) an einem Ende der Grundplatte (1) eine Aufnahme für Kulturen oder dergleichen sowie für ein Mikroskop und/oder eine elektronische Bildaufnahmeeinrichtung vorgesehen ist.
7. Verwendung einer Antriebsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche zur Ausführung von automatischen Manipulationen im Bereich der Isolierung und Behandlung von Zellklonen und Einzelzellen mittels eines Werkzeugs.