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Kollaborierende Roboter im Labor Hocus Cobots – Probenverarbeitung wie per Zauberhand

Autor / Redakteur: Jürgen von Hollen* / Christian Lüttmann

Zunehmender Preisdruck, anziehender Wettbewerb, Personalmangel und nun auch noch Covid-19 – Labore stehen vor diversen großen Herausforderungen. Die Robotik bietet eine zuverlässige Lösung, um Laboranalytik effizienter zu gestalten und gleichzeitig Fachkräfte zu entlasten: Kollaborative Roboter, so genannte Cobots.

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Abb.1: Wenn die Probenvorbereitung über Nacht von selbst erfolgt, ist keine Magie im Spiel, sondern ein kollaborierender Roboterarm.
Abb.1: Wenn die Probenvorbereitung über Nacht von selbst erfolgt, ist keine Magie im Spiel, sondern ein kollaborierender Roboterarm.
(Bild: UR)

Die Covid-19 Pandemie stellt Staaten auf der ganzen Welt vor neue Herausforderungen – sowohl gesellschaftlich als auch mit Blick auf ihre Wirtschaft. Besonders in klinischen Laboren läuft die Analytik im 24-Stunden-Betrieb, um dem hohen Probenaufkommen nachzukommen. Allein an den 13 deutschen Standorten des Praxisverbunds Diagnosticum versorgen über 600 Mitarbeiter Tag und Nacht mehr als 1000 ambulante Ärzte sowie eine Vielzahl stationärer Einrichtungen mit Testergebnissen aus allen Bereichen der Labormedizin und Pathologie. Aufgrund von Covid-19 musste der Praxisverbund seine Diagnostik auf SARS-Coronavirus-PCR-Tests ausweiten. Um zeitnah die geforderten PCR-Untersuchungen durchführen zu können, war es nötig, die internen Abläufe wie auch personelle Auslastungen anzupassen. Im Diagnosticum entstand kurzerhand eine komplett neue Abteilung, in der im Dreischicht-Betrieb gearbeitet werden sollte. Auf die Schnelle so viele neue Mitarbeiter einzustellen, war jedoch nicht möglich. Fachkräfte in der Labortechnologie sind rar – speziell auch, wenn es um unliebsame Arbeitsmodelle und -zeiten geht.

Roboter-Kollegen sichern die Notfallversorgung

Um trotzdem rund um die Uhr Laborparameter für Intensivstationen oder Operationssäle zu bearbeiten und möglichst schnell zur Verfügung zu stellen, fand sich schließlich die Lösung in Form einer technischen Hilfe: Ein kollaborierender Roboter von Universal Robots, ein so genannter Cobot, übernimmt nun die unattraktive Nachtschicht in der Notfallversorgung.

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Auf engstem Raum arbeiten solche Cobots nach erfolgreich abgeschlossener Risikobeurteilung mit den Mitarbeitern zusammen. Die kollaborierenden Leichtbauroboter sind heute weltweit in den unterschiedlichsten Branchen im Einsatz, z.B. bei Pick-and-Place-Anwendungen oder in der Oberflächenbearbeitung. Dabei übernehmen sie in der Regel Arbeitsschritte, die trotz hoher Wiederholungsrate mit immer derselben Kraft und gleichbleibend hoher Präzision ausgeführt werden müssen. Auch in Medizin- und Industrielaboren, der chemischen Analytik sowie der Medizintechnik nutzt man zunehmend ihre unermüdliche Präzision. Den Irrtum, Automatisierung komme nur für große Industriekonzerne infrage, haben Cobots längst widerlegt. Die kompakten Leichtbauroboter lassen sich mühelos auch in moderne Laborstrukturen in kleineren Laboren integrieren.

Was macht ein Cobot eigentlich?

Im Diagnosticum übernimmt der elektrische Kollege nachts die gleichen Tätigkeiten wie die Laborfachkräfte am Tag, indem er Blutproben untersucht. Dazu be- und entlädt er eine Zentrifuge, scannt Analyseröhrchen, entstöpselt diese, stellt sie in das Gerät hinein und nimmt sie nach dem Messvorgang wieder heraus. Anschließend platziert der Cobot die Röhrchen in Haltevor­richtungen, mit denen er die Messgeräte belädt. Nachdem die Proben ausgewertet sind, werden die Ergebnisse automatisch über das Labor­informationssystem (LIS) an den zuständigen Arzt bzw. das Krankenhaus übermittelt. Die Datenübertragung findet zwischen den unterschiedlichen EDV-Systemen alle zwei bis drei Minuten statt und garantiert somit einen reibungslosen und raschen Informationsaustausch.

Ausgestattet mit verschiedenen Peripherieprodukten, wie Greifern und Sensoren, gibt es noch unzählige weitere Tätigkeiten, die ein Cobot im Labor übernehmen kann. Dabei bieten sich insbesondere monotone und sich ständig wiederholende Tätigkeiten an, z.B. die regelmäßige Bestückung von Messgeräten mit mikrobiologischen Bakterien- oder chemischen Brennproben. Hier können kollaborierende Roboter ihre menschlichen Kollegen effizient entlasten: Labormitarbeiter müssen bei solchen Verfahren die Proben normalerweise alle paar Minuten nach der Messung auswechseln. Übernimmt ein kollaborierender Roboter diesen Prozess, ermöglicht das den Fachkräften, in der Zwischenzeit anspruchsvolleren Aufgaben nachzugehen – etwa komplexeren Messungen oder Dokumentationsaufgaben.

Die Anwendungsgebiete von Robotern sind vielfältig, und so bieten sie sich auch für Testverfahren im industriellen Bereich als optimale Helfer an – beispielsweise bei so genannten Lebensdauertests, die im produzierenden Gewerbe branchenübergreifend verbreitet sind. Hierbei prüft man, wie lange ein verwendetes Material bei intensiver Nutzung unversehrt und funktionsfähig bleibt. Für Tests dieser Art muss eine Bewegung meist zehntausende Male wiederholt werden – ein ungesunder Kraftakt für jeden Menschen, aber nicht für Roboter. Diese können dank integrierter Software nutzertypische Kräfte imitieren sowie ansteigende oder abfallende Kräfte während der Bewegung aufzeichnen und dabei Defekte am getesteten Objekt registrieren.

Eine weitere Einsatzmöglichkeit liegt im Bereich Desinfektion: In Anbetracht der Pandemie setzen viele Unternehmen, öffentliche Einrichtungen und Labore für eine präzise Reinigung von Oberflächen, Geräten, Werkstücken oder Behältern kollaborierende Roboter ein. Dadurch schützen sie Mitarbeiter, Kunden und Besucher vor einer Ansteckung. Meist auf einer mobilen Plattform montiert führen die Cobots den Reinigungsvorgang beliebig oft wiederholbar und mit gleichbleibender Präzision aus. Sie erreichen alle Ecken und Winkel zu reinigender Objekte oder Räumlichkeiten. Zusätzlich können sie mit einer Schutzhülle versehen werden. Damit sind sie reinraumtauglich einsetzbar, leicht zu desinfizieren und zu reinigen.

Handliche Helfer, und wie man sie bedient

Im Vergleich zu klassischen Indus­trierobotern, den Kolossen unter den Robotern, zählen Cobots zu den handlichen ihrer Art. Dank 17 integrierter, konfigurierbarer Sicherheitsfunktionen kann auf die meist sehr sperrigen und aufwändigen Schutzeinrichtungen wie Einhausungen und Lichtschranken verzichtet werden. Bei den leichtesten Berührungen mit dem Mitarbeiter oder störenden Gegenständen schaltet der Roboter sofort in einen ruhenden Sicherheitsmodus.

Für das Kliniklabor in Adorf entschied Standortleiter Dr. Michael Praus sich für einen UR10e-Cobot, der insbesondere durch seine große Reichweite von 1,3 m überzeugt hat. Damit deckt der Roboterarm einen weiten Arbeitsbereich im Labor ab und agiert mit seiner Wiederholgenauigkeit von +/- 0,05 mm stets präzise. Mit einem Gesamtgewicht von nur 33,5 kg und einer platzsparenden Grundfläche von gerade einmal 19 cm im Durchmesser arbeitet der Cobot in Adorf direkt neben seinen menschlichen Kollegen. Zudem ist er bei allen Bewegungen sehr leise und lässt sich aufgrund des modularen Aufbaus einfach mit verschiedenen Peripheriegeräten koppeln. Im Notfalllabor von Dr. Praus sind sowohl Kamera- als auch Greifmodule im Einsatz.

Automatisierung hilft Laboreinrichtungen dabei, auf bestehende und neue Herausforderungen schnell und flexibel zu reagieren. Dazu müssen eingesetzte Technologien leicht, platzsparend und intuitiv bedienbar sind. Nur so können sie in den laufenden Betrieb inte­griert werden, ohne diesen zu unterbrechen. Cobots erfüllen diese Kriterien. Je nach Komplexität der Anwendung dauert es nur wenige Stunden, kollaborierende Roboter in bestehende Arbeitsabläufe einzubinden – spezielle Programmierkenntnisse sind nicht erforderlich. Die Bedienung der Leichtbauroboter ist überaus anwenderfreundlich und intuitiv: Über ein so genanntes Teach Panel können Laborangestellte ihrem Roboter-Kollegen unkompliziert neue Aufträge erteilen. Dafür zeigen sie dem Cobot einzelne Wegpunkte Schritt für Schritt, indem sie den Roboterarm per Hand an die gewünschten Stellen bewegen. Später fährt dieser sie automatisch an. Die einzelnen Punkte werden dabei über das Touchpad des Teach Panels registriert und gespeichert. Somit unterliegen die Einrichtung und Wartung des Roboters keinem externen Fachmann – die üblichen hohen Kosten bleiben aus.

Mit Cobots den Laborbetrieb der Zukunft sichern

Die Laborfachkräfte in Adorf können abends nun in den Feierabend gehen und die Notfallversorgung über Nacht den Robotern überlassen. Mithilfe kollaborativer Robotik wirkt das Diagnosticum Personalengpässen und Fachkräftemangel sowie unerwarteten Herausforderungen effizient entgegen. Zudem profitiert der Laborverbund von der einfachen Programmierung.

Das Ergebnis sind kürzere Prozesszeiten, sinkende Kosten und eine Qualitätssteigerung. Fachkräfte werden von monotonen Tätigkeiten entlastet und können sich höherwertigen Aufgaben widmen. Die Mensch-Roboter-Kollaboration ist für moderne Labore die Zukunft, wobei die Laborgröße keine Rolle spielt, denn Cobots passen sich jeder individuellen Arbeitsumgebung optimal an.

* J. von Hollen, Universal Robots, 81379 München

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