PUB - Publikationen an der Universität Bielefeld

In biotechnologischen Laboratorien ist die Qualität der typischerweise pharmazeutischen Produkte ein wortwörtlich lebenswichtiges Ziel. Die Qualität der Zellkultivierungen wurde historisch nur durch off-line Messungen von physikalischen Prozessparametern wie pH und pO2 sichergestellt. Biologische Parameter wie die Zelldichte und -viabilität wurden nur off-line gemessen, weil das dazu notwendige Probenmanagement hochkomplizierte Manipulationen und Analysen beinhaltet und deshalb nicht automatisiert werden konnte. Es gibt zwar mehrere automatisierte Geräte, um einem Labortechniker zu assistieren, aber kein System, welches das gesamte Probenmanagement automatisiert. In dieser Arbeit wird ein neuer Typ von Serviceroboter präsentiert, der aus einem auf einer mobilen Plattform montierten Roboterarm besteht und diese Lücke schließt. Dieser Roboter muss eine ganze Reihe von Problemen bewältigen: Er muss seine Position im Labor bestimmen können (Lokalisation), er muss eine kollisionsfreie Bahn zu den beteiligten Geräten finden können (Bahnplanung mit Hindernisvermeidung), er darf bei seinen Bewegungen keine Menschen gefährden oder Laborausrüstung beschädigen (Kollisionsvermeidung), er muss die zu bedienenden Geräte erkennen und ihre Position präzise messen können (Bildverarbeitung), er muss sie bedienen können (Armsteuerung), er muss Objekte greifen können (Greifer und Finger) und er muss sie gefügig handhaben können, um sie nicht zu beschädigen (Kraftregelung). Er muss autonom sein, um nur die allernotwendigste Menge an Benutzereingriffen zu benötigen, und doch durch ein Laborsteuerprogramm kontrollierbar sein, um Eingriffe zu erlauben. Schließlich muss er einfach durch ungeschultes Personal zu warten sein. All diese Aspekte werden von dem in dieser Arbeit präsentierten neuen Robotersystem abgedeckt.

---

In biotechnolgical laboratories, the quality of the typically pharmaceutical product is a literally life-important goal. Historically, the quality of the cell cultivations was ensured by on-line measurements of physical process parameters like pH and pO2 only. Biological parameters like cell density and viability were only measured off-line, because the necessary sample management involves highly complicated manipulations and analyses and could therefore not be automated. Various automated devices to assist a laboratory technician do exist, but so far no system to automate the entire sample management. In this work a novel type of service robot consisting of a robot arm mounted on a mobile platform is presented that closes this gap. This robot has to master a multitude of problems: It must be able to locate its position in the laboratory (localisation), it must be able to find a collision-free path to the involved devices (path planning with obstacle avoidance), it must not endanger humans or damage laboratory equipment while moving (collision avoidance), it must be able to recognize the devices to be manipulated and measure their precise position (computer vision), it must be able to manipulate them (arm control), it must be able to grasp objects (gripper and fingers) and it must be able to handle them with compliance in order to not damage them (force control). It must be autonomous in order to only require the least possible amount of user intervention, and yet controllable by a laboratory control program in order to allow intervention. Finally, it must be easily maintainable by non-expert personell. All these aspects are covered by the novel robot system presented in this thesis.