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Neue Konzepte für das vollautomatisierte Labor

Das vollautomatisierte Analytiklabor – Die Zukunft wird Realität

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Mobile Roboter finden ihren Weg

Der Einsatz mobiler Roboter im Analytiklabor bringt einige Herausforderungen mit sich. Zum einen müssen die Roboter in der Lage sein, autonom ihre Position bestimmen sowie ihren Weg finden zu können. Hierzu können unterschiedliche Technologien eingesetzt werden. Die wohl beste, aber gleichzeitig auch aufwändig­ste Variante ist die kamerabasierte Erkennung der Umgebung.

Eine einfache Variante sind farblich markierte oder induktionsbasierte Pfade, die auf dem Boden angebracht sind. Die Roboter können dann einem vorgegebenen Pfad folgen. Erfolgen allerdings Änderungen in der Laborumgebung, sind die Pfade nicht mehr nutzbar und müssen mit einigem Aufwand neu verlegt und programmiert werden. Eine Möglichkeit, die hohe Flexibilität und Erweiterbarkeit mit geringen Kosten verbindet, ist der Einsatz von Landmarken, die an den Decken installiert werden. Die Landmarken sind aus IR-reflektierenden Materialien und ermöglichen eine Kodierung einer großen Anzahl von Wegpunkten. Zum Einsatz kommt hier ein Stargazer-System, das das Auslesen der Positionen ermöglicht. Zur Verringerung des Lichteinflusses, der zu falschen Werten führen kann, werden Kalman-Filter eingesetzt. Alle über Landmarken kodierten Positionen sind in einem Map hinterlegt, sodass auf Basis der vorgegebenen Anfangs- und Endpunkte die Wege für den Roboter berechnet und über einen permanenten Abgleich der Soll- mit den aktuellen Ist-Positionen der korrekte Pfad überwacht werden kann.

Sind in den erforderlichen Wegen Hindernisse wie Türen enthalten, so wird über geeignete Sensorik zunächst deren Zustand (offen/geschlossen) erfasst. Es erfolgt dann ein Signal an die Türsteuerung, die ein Öffnen der Tür ermöglicht. Um mögliche Kollisionen mit Türen zu vermeiden, erfolgt das Durchfahren erst, wenn die Sensoren des mobilen Roboters eine offene Tür anzeigen.

Die räumliche Verteilung der Teilstationen erfordert u.U. auch den Wechsel von Stockwerken. In diesem Fall ruft der Roboter analog zum Menschen manuell den Fahrstuhl, befährt diesen bei geöffneter Tür, wählt das entsprechende Stockwerk aus und verlässt den Fahrstuhl auf dem Zielstockwerk. Die Erkennung des Zielstockwerkes kann visuell über das Auslesen von Stockwerksnummer erfolgen. Alternativ kann über geeignete Sensoren die Höhe (über die Messung des Atmosphärendrucks) und damit die Stockwerksnummer bestimmt werden. In letzterem Fall sind interne Kalibrierungen zur Anpassung an den schwankenden Atmosphärendruck erforderlich.

Greifen und Ablegen von Labware

Damit die mobilen Roboter Proben und Labware transportieren können, muss diese für sie verfügbar sein. Prinzipiell bestehen zwei Möglichkeiten: entweder platzieren die stationären Teilsysteme die Proben/Labware auf dem Roboter und greifen sie auch von dort wieder oder die mobilen Roboter sind selbständig in der Lage, die Proben/Labware zu erkennen und zu greifen. Was für die menschliche Hand sehr einfach erscheint, stellt eine sehr komplexe Aufgabe für den Roboter dar. An der Übergabeposition angekommen, muss der Roboter zunächst die zu greifende Labware erkennen. Im einfachsten Fall erfolgt dies über die genaue Definition der Übergabeposition; im flexibleren Fall erkennt der Roboter kamerabasiert, wo sich die zu greifende Probe/Labware befindet. Neben dem Erkennen ist dabei auch eine genaue Positionsbestimmung erforderlich. Basierend auf den Koordinaten der Labware sowie des mobilen Roboters erfolgt dann die Bewegung des Roboterarms zum zu greifenden Objekt. Hierfür ist eine genaue Kenntnis der Kinematik des Roboterarms und softwaretechnische Umsetzung zur Realisierung der Armbewegungen erforderlich. In identischer Weise erfolgt die Ablage der Proben/Labware an den Zielpositionen.

Mobile Roboter als Laborkollegen

Die mobilen Roboter arbeiten in unmittelbarer Umgebung mit dem Laborpersonal. Dies erfordert u.a. Konzepte zur Interaktion zwischen Roboter und Mensch sowie zur aktiven und passiven Kollisionsvermeidung.

Nähert sich ein Mensch auf dem Weg des Roboters, so wird er durch den mobilen Roboter zur Interaktion aufgefordert. Diese kann sowohl gestenbasiert als auch über Bewegungen des Kopfes erfolgen. Im ersten Fall signalisiert der Mensch durch Heben des rechten Armes, dass er als Master dem Roboter weitere Befehle geben möchte. Durch unterschiedliche Armhaltungen können die Befehle „vorwärts“, „rückwärts“, „links“ und „rechts“ gegeben werden, die der Roboter übernimmt und den nunmehr neuen Weg berechnet. Eine identische Steuerung ist auch über Kopfbewegungen möglich. Auch der Einsatz einer sprachbasierten Steuerung ist in der Entwicklung; besondere Herausforderungen bilden hier allerdings die starken Umgebungsgeräusche in Analytiklaboren.

Erfolgt keine Interaktion zwischen Mensch und Roboter, erfasst der Roboter automatisch den zur Verfügung stehenden Platz zum Umfahren des Menschen und berechnet anschließend den kürzesten Weg zur Vermeidung einer Kollision sowie zur Rückkehr zum ursprünglichen Weg. Steht kein ausreichender Platz zur Verfügung, zieht sich der Roboter auf eine sichere Position zurück und setzt seinen Weg fort, nachdem der Mensch den Bereich verlassen hat.

Das Labor der Zukunft wird Realität

Mit dem Future-Lab-Konzept kann der Traum vom vollautomatisierten Analytiklabor Wirklichkeit werden. Das Konzept passt sich an die Gegebenheiten und Anforderungen bestehender Labore an. Die Automation verfolgt dabei in erster Linie das Ziel der Übernahme von Transportarbeiten durch die mobilen Roboter sowie eine Ausweitung der Betriebszeiten durch einen möglichen 24/7-Betrieb. Damit werden erhebliche Durchsatzsteigerungen und Kostensenkungen möglich.

* Prof. Dr.-Ing. habil. K. Thurow: Center for Life Science Automation, Universität Rostock, 18119 Rostock

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