Development of a robotic pipette testing system

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Ask about the availability of the thesis by sending email to the Aalto University Learning Centre oppimiskeskus@aalto.fi
Date
2016-12-12
Department
Major/Subject
Koneensuunnittelu
Mcode
K3001
Degree programme
Konetekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
80+3
Series
Abstract
Manual pipetting by hand requires precision and proper technique, and is prone to user dependable errors. The object of this thesis was to study error sources affecting the gravimetric measurement method, which is commonly used for performance testing of air-displacement pipettes. This knowledge was utilized in the development of a robotic pipette testing system aiming to reach a level of pipetting precision that is superior to conventional manual pipetting. This thesis begins with a literature research that first deals with basic theory of mechanical air-displacement pipettes and their liquid handling performance. The gravimetric measurement method is then described followed by a review on international standards specifying the performance testing procedure. Error sources originating from the measurement apparatus and the environment are studied in detail in the latter part. Special attention is dedicated here to the operator as a source of errors. To fully eliminate human error, the pipette operator was omitted from the testing system. The experimental study began by specifying requirements and drafting a concept of a pipette testing system with the aim to minimize the impact of the previously studied errors. A desktop-sized collaboration robot was employed to deliver test liquid to a semi-micro balance by means of a gripper mechanism, developed for this purpose, that mimics a human way of operating a pipette. After reviewing key components and control systems, optimal drive parameters were selected to detect the first and second stop in the piston movement of a selected pipette model precisely. The developed system’s ability to aspirate and dispense test liquid to the balance was verified and critically evaluated in the testing section. The robotic system tested all three pipettes consistently and exhibited excellent precision, surpassing the human operator that tested the same pipettes for conformity. The slightly increasing drift of measurements was found to relate to heat dissipation from the gripper mechanism and to the balance’s linearity error, which was of equal magnitude. The observed cyclicality of measurements was caused by manual filling of water to compensate a changing immersion depth. Automatic compensation in the robot’s program could eliminate this phenomenon and further improve precision. The research showed that the robotic pipette testing system in a controlled environment could eliminate error sources that are commonly related to human error in conventional manual pipetting.

Pipetin käyttäjä vaikuttaa voimakkaasti annostelutarkkuuteen henkilökohtaisella tavallaan käyttää mekaanista pipettiä. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli tunnistaa eri virhelähteitä, jotka vaikuttavat ilmapatsaspipettien suorituskyvyn testauksessa yleisesti käytetyn gravimetrisen mittausmenetelmän epävarmuuteen. Tutkimus toteutettiin perehtymällä ensin nesteannostelun teoriaan kirjallisuuden avulla, jonka jälkeen hyödynnettiin saatua tietoa robotisoidun pipettitestauslaitteiston kehityksessa ja testauksessa. Kirjallisuusselvityksen alussa käsitellään ilmapatsasperiaatteella toimivien pipettien yleistä teoriaa ja niiden suorityskyvyn määrittämistä. Tämän jälkeen kuvataan gravimetrisen mittausmenetelmän perusperiaatteet ja tehdään katsaus testausprosessia koskeviin kansainvälisiin standardeihin. Gravimetrisesta mittausjärjestelmästä ja testausympäristöstä johtuvia virhelähteitä tutkitaan kirjallisuusselvityksen jälkimmäisessä osassa yksityiskohtaisesti. Erityistä huomiota kiinnitetään pipetin käyttäjästä johtuviin virheisiin. Kokeellisen tutkimuksen alussa määriteltiin testausjärjestelmän vaatimukset ja laadittiin konsepti. Laitteiston kehityksessa huomioitiin aiemmin tutkittuja virhelähteitä siten, että niiden vaikutus lopputulokseen jäisi mahdollisimman vähäisiksi. Inhimillisten virheiden ehkäisemiseksi korvattiin pipetin käyttäjä pienikokoisella teollisuusrobotilla. Pipetin annostelupainikkeen hallittu painaminen toteutettiin tätä varten kehitetyllä tarrainmekanismilla, joka voimanmittaukseen pohjautuvalla menetelmällä tunnistaa pipetin peukaloliikkeessä olevan ensiö- ja toisiovasteen. Testausosiossa arvioitiin järjestelmän kyvykkyyttä tuottaa johdonmukaisia testaustuloksia suorittamalla kontrolloidussa laboratorioympäristössä nestetestejä kolmella valituilla pipetillä. Testaustulosten johdonmukaisuus ja erittäin pieni hajonta osoittivat, että etenkin pipetin käyttäjästä johtuvien virheiden minimoimisessa onnistuttiin. Mittaustulosten lievästi nouseva trendi todettiin johtuvan osin tarrainmekanismin lämmöntuotosta ja osin vaa’an tuottamasta lineaarisuusvirheestä. Vesiastian nestepinnan vajoamista pyrittiin kompensoimaan manuaalisesti lisäämällä säännöllisin väliajoin astiaan vettä, mikä havaittiin tuloksissa toistettavuutta heikentävänä mittausarvojen syklisyytenä. Pipetin kärjen upotussyvyys olisi mahdollista pitää vakiona lisäämällä nestepinnan laskemista kompensoiva kerroin robotin ohjausohjelmistoon.
Description
Supervisor
Kuosmanen, Petri
Thesis advisor
Jantunen, Hannes
Keywords
liquid handling, mechanical pipette, gravimetric testing, collaborative robot, human error
Other note
Citation