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1. (WO1993016849) UNITE DE PREHENSION POUR ROBOTS DE MANUTENTION
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Greifeinheit für Handhabunqsroboter

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Greifeinheit für Handhabungsroboter, ins-besonders zum Greifen von im wesentlichen quaderförmigen Elementen aus relativ leichtem Material, wie Mikrotiterplatten, mit zumindest zwei gegeneinander steuerbar beweglich an einem Greifer angeordneten Greif-fingern, welche Halteelemente aufweisen.
Stand der Technik
Derartige Greifeinheiten sind in verschiedenster Ausführung bekannt und zumeist zur Optimierung Ihrer Funktion hinsichtlich der Ausbildung der Greiffinger bzw. Halteelemente relativ eng auf die jeweilige Anwendung abgestimmt. Abgesehen von Greiffingern mit genau auf die konstruktiven Gegebenheiten der zu handhabenden Elemente abgestimmten und mit diesen formschlüssig zusammenarbeitenden Halteelementen sind auch Anordnungen bekannt geworden, bei denen die Halteelemente reibschlüssig mit der Oberfläche der zu handhabenden Elemente zusammenwirken, wenn die Greif-finger an diese Oberfläche gedrückt werden. Dies erlaubt einerseits eine etwas größere Flexibilität hinsichtlich der Einsatzmöglichkeiten, bringt aber andererseits den Nachteil, daß insbesonders bei oft zufolge der Eigenschaften des zu haltenden Elementes nur relativ geringen erlaubten Greif- bzw. Haltekräften kein sicheres Halten auch unter ungünstigen Umständen möglich wird.

Speziell bei den eingangs genannten im wesentlichen quaderförmigen Mikrotiterplatten kann es insbesonders dann zu Greif- bzw. Halteproblemen kommen, wenn die äußere Gestaltung der an sich bezüglich der Hauptabmessungen im wesentlichen normierten Platten unvorhergesehene Unterschiede aufweist, was aber auch auf andere zu greifende Elemente in ähnlicher Weise zutrifft.

Die genannten Mikrotiterplatten sind Aufbewahrungs- und Reaktionsgefäße für flüssige Proben. Breite und Länge (127.7 x 85.4 mm) der Mikrotiterplatten sind normiert; es gibt jedoch Ausführungen verschiedener Höhe. Sie können aus Polypropylen, Polystyrol, Polycarbonat oder anderen Kunststoffmaterialien gefertigt werden; können transparent oder opaque sein und mit oder ohne Deckel verwendet werden. Einige Formdetails der Mikrotiterplatten können zwischen den einzelnen Erzeugern variieren, wie z.B. die Höhe des Sockels; einige Hersteller schrägen zwei der vier Ecken der Mikrotiterplatte und des dazugehörigen Deckels abr sodaß diese Platten nur mit Deckeln desselben Erzeugers verwendet werden können. Bei anderen Mikrotiterplatten-Fabrikaten ist der Sockel in der Mitte der Platte erhöht. In die Mikrotiterplatten sind von oben Probenäpfchen eingelassen, die in der gebräuchlichsten Form in einer Matrix von 8 x 12 Näpfchen, das sind insgesamt 96 Näpfchen, angeordnet sind. Es gibt allerdings auch Mikrotiterplatten der gleichen Länge und Breite die nur 48, 24, 12 oder 6 Näpfchen enthalten, wobei die einzelnen Näpfchendurch-messer entsprechend größer sind.

Die häufigsten Anwendungsgebiete von Mikrotiterplatten liegen in der klinischen Diagnostik, wo sie z.B. beim ELISA-Verfahren (Enzyme-Linked Immuno Assay.) z.B. in Blutbanken verwendet werden; in Qualitätskon-trollabors in der pharmazeutischen Industrie, wo sie zum Testen von Rohstoffen und Produkten auf größtmögliche Reinheit, z.B. im sogenannten Li ulusverfahren verwendet werden; in der pharmazeutischen Forschung und Entwicklung, sowie in der Biotechnologie, wo sie in sogenannten Screening-Verfahren zur Anwendung kommen, bei denen aus einer großen Zahl von Testsubstanzen diejenigen mit dem gewünschten klinisch-thera-peutischen-Effekt gefunden werden können. Mikrotiterplatten finden aber auch Verwendung in der Lebensmittel- und Umweltchemie.

Die bis jetzt bekannten Greifeinheiten für Mikrotiterplatten eignen sich nicht zum fehlerfreien Angreifen aller am Markt erhältlichen Mikrotiterplatten, da die Halte- bzw. Greifkraft im Hinblick auf den Aufbau der Platten bzw. auch auf die verwendeten Handhabungsroboter nicht so weit erhöht werden kann, daß die Halteelemente die zugeordneten Oberflächen des zu haltenden Elementes reibschlüssig sicher halten.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Greifeinheit der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die genannten Nachteile der bekannten derartigen Einheiten vermieden werden und daß insbesonders quaderförmige Elemente aus relativ leichtem Material, wie etwa Mikrotiterplatten, auch bei abweichenden Oberflächenstrukturen sicher gehalten werden können.

Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, daß die Halteelemente Greifnadeln aufweisen, welche mit Ihren Enden im wesentlichen punktförmig an dem zu greifenden Element anliegen und dieses unter der Wirkung der vom Greifer ausgeübten Haltekraft formschlüssig halten. Es hat sich herausgestellt, daß dieses punktförmige Halten mit naturgemäß zumindest drei im wesentlichen in einer Ebene liegenden Greifnadeln eine ausgezeichnete Greif- bzw. Haltesicherheit auch bei relativ kleinen aufgebrachten Kräften bietet. Insbesonders können auf diese Weise alle bekannten, zur Zeit am Markt erhältlichen Mikrotiterplatten gegriffen werden, wobei es keinen Unterschied macht, ob die Platten einen Deckel oder nicht aufweisen. Die zu greifenden Elemente können nicht nur in der Nähe der Achsen sondern auch noch in der Nähe der Ränder stabil und sicher angegriffen werden ohne daß ein Kippen be-fürchtet werden muß. Der Hauptvorteil liegt in dem im wesentlichen punktförmigen und dadurch formschlüssigen Angreifen der zu handhabenden Elemente mittels der Greifnadeln, wodurch die Elemente bei gleich eingestellter Greif-bzw. Haltekraft des Greifers wesentlich weniger leicht gegenüber den Greiffingern verschoben werden können als bei den eingangs genannten bekannten Greiffingern, die flächenför ig und reib-schlüssig an den Elementen angreifen.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß ein Halteelement zwei Greifnadeln auf einer gemeinsamen Nadelwippe aufweist, welche um eine im wesentlichen senkrecht zur Wirkung der Haltekraft und zur Richtung einer gedachten Verbindungslinie zwischen den beiden Greifnadeln am Greiffinger angeordnete Achse schwenkbar ist. Damit lassen sich einerseits Unebenheiten, Erhebungen und Vertiefungen an der Oberfläche des zu greifenden Elementes leicht und problemlos ausgleichen und ist andererseits sichergestellt, daß die Greif- bzw. Haltekraft möglichst gleichförmig auf die einzelnen Greifnadeln aufgeteilt wird, sodaß Beschädigungen des zu greifenden Elementes bei gleichzeitig sicherem Greifen und Halten verhindert sind.

Die Nadelwippe und/oder die Halterung der Greifnadeln kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung elastisch ausgebildet sein, was eine weitere Verbesserung der Sicherheit bzw. der gleichmäßigen Kräfteaufteilung ergibt.

Die Nadelwippe kann nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung auch gegenüber dem Greiffinger elastisch abgestützt sein, was ein sicheres Greifen und Halten auch beispielsweise bei Erschütterungen während des Betriebes garantiert.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß an zwei zusammenwirkenden Greiffingern einerseits ein Halteelement mit einer zwei Greifnadeln tragenden Nadelwippe und andererseits ein Halte-element mit einer feststehenden einzelnen Greifnadel angeordnet ist. Damit ist auf einfachste Weise ein sicheres Halten durch die im wesentlichen in einer Ebene wirkenden Greifnadeln gegeben.

Die Greifnadeln und/oder die die Halteelemente tragenden Greiffinger können nach einer bevorzugten weiteren Ausbildung der Erfindung abgebogen und/oder gekröpft ausgebildet sein. Damit kann bei geringstem Platzbedarf von mehreren nebeneinander liegenden, zu greifenden bzw. zu haltenden Elementen sichergestellt werden, daß auch Elemente mitten aus einer Reihe von nebeneinander bzw. hintereinander liegenden Elementen herausgenommen und gehandhabt werden können.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird im folgenden noch anhand der teilweise schematisch ausgeführten Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Greifeinheit in perspektivischer Ansicht,
Fig. 2 und Fig. 3 zeigen jeweils zu Fig. 1 alternative Ausführungsformen von Greiffingern bzw. Haltebereichen,

Fig. 4 zeigt die Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer mit einer Greifeinheit nach der vorliegenden Erfindung beispielsweise zur haltenden Mikrotiterplatte,

Fig. 5 zeigt eine Seitenansicht der Mikrotiterplatte in Richtung des Pfeiles V in Fig. 4,

Fig. 5 zeigt eine entsprechende Seitenansicht in Richtung des Pfeiles VI in Fig. 4, Fig. 7 zeigt das Zusammenwirken einer Mikrotiterplatte gemäß den Fig. 4 bis 6 mit einem Greiffinger einer erfindungsgemäßen Greifeinheit, welcher zur Verdeutlichung in die Zeichenebene umgeklappt ist,

Fig. 8 zeigt eine Ansicht des Greiffingers aus Fig. 7 alleine in Richtung des Pfeiles 8 in Fig. 7, und

Fig. 9 zeigt eine im wesentlichen der Fig. 1 entsprechende Ansicht auf eine ähnliche Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt das äußere Ende eines Greifers 1 eines nicht weiter dargestellten Handhabungsroboters, welcher zur Handhabung von im wesentlichen quaderförmigen Elementen 2 aus relativ leichtem Material, wie z.B. Mikrotiterplatten, dient. Der Greifer 1 kann auf verschiedenste, hier nicht näher interessierende Art und Weise um verschiedene Achsen dreh-bzw. schwenkbar bzw. in verschiedensten Richtungen verstell- oder verfahrbar sein, womit sich je nach Aufgabengebiet der erforderliche Handhabungsbereich abdecken läßt. Am dargestellten äußeren Ende des Greifers 1 sind zwei in Richtung des Doppelpfeiles 3 gegeneinander steuerbar bewegliche Greiffinger 4, 5 angeordnet, welche an ihren äußeren Enden 6 Halteelemente 7 aufweisen. Die Halteelemente 7 ihrerseits weisen hier jeweils zwei Greifnadeln 8 auf einer gemeinsamen Nadelwippe 9 auf, welche sich mit ihren Enden 10 unter der über den Greifer 1 ausübbaren Greif- bzw. Haltekraft im wesentlichen punktförmig an das zu greifende Element 2 anlegen und dieses unter der Wirkung der Haltekraft formschlüssig halten. Es ist dabei relativ belanglos, ob die Halteelemente 7 mit den Greifnadeln 8 in der Mitte des Elementes 2 oder aber in der Nähe von dessen Rändern angreifen, da zufolge des sicheren formschlüssigen Haltens kein Kippen auftreten kann.

Prinzip und Wirkungsweise der Nadelwippe 9 sind untenstehend zu den Fig. 7 bis 9 näher erläutert.

Das in Fig. 2 dargestellte Detail eines anderen Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von Fig. 1 im wesentlichen lediglich dadurch, daß hier nun an den beiden zusammenwirkenden Greiffingern 4, 5, welche wie auch in Fig. 1 ersichtlich mittels Schrauben 11 am hier nicht dargestellten Greifer auswechselbar befestigt sind, einerseits ein Halteelement 7 mit einer zwei Greifnadeln 8 tragenden, nicht näher dargestellten Nadelwippe und andererseits ein Halteelement 7' mit einer einzelnen feststehenden Greifnadel 8 angeordnet ist. Diese Anordnung ist für viele Anwendungs-beispiele ausreichend und verhindert nach dem Prinzip der Dreipunktlagerung jegliches Wackeln in der Halterung.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind die Greifnadeln 8 an den äußeren Enden 6 der Greiffinger 4, 5 abgebogen bzw. gekröpft ausgebil-det, womit der zwischen zwei benachbart aufliegenden Elementen 2 benötigte Spalt zum Ermöglichen des Greifens verkleinert werden kann. Auch bei der Anordnung nach Fig. 3 könnten die Greifnadeln 8 auf entsprechend gegenüber Fig. 1 und 2 abgwandelten Nadelwippen angeordnet sein, was aber hier nicht dargestellt ist.

In allen dargestellten Ausführungsformen nach Fig. 1 bis 3 sind die Greiffinger 4, 5 selbst abgebogen bzw. gekröpft ausgebildet und bestehen aus zwei separat gefertigten und zusammengebauten Teilen, wie dies insbesonders auch in Fig. 9 ersichtlich ist. Zusammen mit der aus Fig. 1 ersichtlichen Ausführung des äußeren Endes des Greifers 1 können damit sehr einfach einzelne Elemente 2 aus einer Reihe von beabstandet neben-bzw. hintereinander aufgelegten Elementen 2 herausgegriffen werden.

In den Fig. 4 bis 6 ist als Beispiel für ein gemäß den Fig. 1 bis 3 handzuhabendes Element 2 eine sogenannte Mikrotiterplatte dargestellt. Derartige Mikrotiterplatten werden als Aufbewahrungs- und/oder Reaktionsgefäße für flüssige Proben und dergleichen verwendet. Verschiedene Parameter, wie beispielsweise Breite und Länge derartiger Platten sind genormt - andere Parameter, wie etwa Höhe und Matrix der Probennäpfchen variieren je nach Hersteller bzw. Anwendung. Die Platten bestehen durchwegs aus Kunststoffmaterial en wie Polypropylen, Polystyrol, Polycarbonat oder dergleichen, wobei sowohl transparente als auch opaque Ausführungen bekannt sind. Die Mikrotiterplatten werden sowohl mit als auch ohne separaten Deckel hergestellt bzw. verwendet, wobei ein derar-tiger Deckel natürlich ebenfalls bei Handhabung mittels eines Handhabungsroboters durch diesen abnehm- bzw. aufsetzbar sein muß. Einige Formdetails der Mikrotiterplatten variieren je nach Verwendung bzw. Erzeuger, so z.B. die Höhe des Sockels 12, die anfällige Abschrägung 13 der Ecken 14, die allfällige Erhöhung 15 in der Mitte der langen Seitenkante, usw.. Die von oben eingelassenen Probennäpfchen 16 sind in der gebräuchlichsten Form in einer Matrix von 8 x 12 (wie dargestellt) angeordnet, wobei es allerdings auch Ausführungen mit 48, 24, 12 oder 6 Näpfchen gibt, wobei dann die einzelnen Näpfchendurchmesser entsprechend größer sind.

Die häufigsten Anwendungsgebiete derartiger Mikrotiterplatten liegen in der klinischen Diagnostik, bei der Qualitätskontrolle in der pharmazeu-tischen Industrie, in der pharmazeutischen Forschung und Entwicklung, sowie in der Biotechnologie - weitere Anwendungen gibt es aber auch beispielsweise in der Lebensmittel- und Umweltchemie.

Aus den Fig. 7 und 8 ist eine beispielsweise Ausbildung der bereits zu den Fig. 1 bis 3 erwähnten Nadel ippe 9 ersichtlich, welche zwei Greifnadeln 8 trägt, in einer nutförmigen Ausnehmung 17 am äußeren Ende 6 eines Greiffingers 4, 5 angeordnet und um eine im wesentlichen senkrecht zur Wirkung der Haltekraft und senkrecht zur Richtung einer gedachten Verbindungslinie zwischen den beiden Greifnadeln 8 am Greiffinger 4, 5 angeordnete Achse 18 schwenkbar ist. Auf diese Weise können Her-stellungstoleranzen an der Greifeinheit selbst bzw. am zu greifenden Element 2 (in Fig. 7 ist wiederum eine Mikrotiterplatte gemäß den Fig. 4 bis 6 dargestellt) leicht ausgeglichen werden. In gewissen Grenzen können auch unterschiedliche Oberflächenausbildungen, wie etwa die Erhöhung 15, bei der Anlage der Greifnadeln 8 toleriert werden. Gemäß Fig. 7 ist hier allerdings der Abstand zwischen den Greifnadeln 8 so gewählt, daß diese die Mikrotiterplatte bzw. das Element 2 seitlich neben der Erhöhung 15 greifen.

Die Nadelwippe 9 und/oder die Halterung der Greifnadeln 8 in der Nadelwippe 9 selbst können auf hier nicht dargestellte Weise auch elastisch ausgebildet sein, bzw. kann die Nadelwippe 9 gegenüber dem Greiffinger 4, 5 bzw. der Nut 17 elastisch abgestützt sein, was ein sicheres Halten bzw. Greifen verbessert.

In Fig. 9 ist ähnlich wie in Fig. 1 wiederum ein etwas anders ausgebildeter Greiffinger 4 dargestellt, dessen Befestigung am nicht dargestellten Greifer selbst hier über vier in Löcher 19 einzusetzende Schrauben erfolgt. Mit 20 angedeutet ist die Verbindung der beiden Greiffingerteile. Am äußeren Ende 6 ist auch hier wiederum in einer Nut 17 eine Nadelwippe 9 mit zwei beabstandeten Greifnadeln 8 zu erkennen, welche um eine Achse 18 schwenkbar ist. Als zu greifendes Element 2 ist wiederum eine Mikrotiterplatte angedeutet, die auch hier eine seitliche Erhöhung 15 aufweist, neben der die Enden der beiden Greifnadeln 8 angreifen.

Die dargestellten und besprochenen Greiffinger können im Prinzip an alle mit entsprechendem Greifer versehenen Roboter montiert werden; bevorzugt sind jedoch sogenannte Servogreifer, die eine Kontrolle der Greifkraft ermöglichen. Es können insbesonders alle zur Zeit am Markt erhältlichen Mikrotiterplatten gegriffen bzw. gehandhabt werden. Die Platten können fehlerfrei mit oder ohne Deckel angegriffen werden. Der Deckel kann jeweils einwandfrei von der zugehörigen Platte entfernt bzw. auf diese aufgesetzt werden. Die Platten selbst können nicht nur in der Nähe ihrer Achsen sondern auch in der Nähe ihrer Ränder stabil und sicher gegriffen bzw. gehalten werden, ohne daß ein Kippen zu befürchten ist. Die Mikrotiterplatten können aus allen gängigen Palettenkonfigurationen entnommen bzw. in diese abgestellt werden, soferne nur zwischen den einzelnen Platten ein gewisser Randabstand (vorzugsweise etwa 9 mm) besteht.

Der Hauptvorteil dieser neuen Greiffingerausbildung liegt im punktför i-gen und dadurch letztendlich formschlüssigen Angreifen der zu handhaben-den Elemente mittels Greifnadeln, wodurch die zu haltenden Elemente bei gleich eingestellter Greifkraft des Greifermechanismus wesentlich weniger leicht gegenüber den Greiffingern verschoben werden können als bei den bisher bekannten Greiffingern, welche flächenförmig und reibschlüssig an den zu haltenden Elementen angreifen.