识别、定位和跟踪实验室设备上的物体的装置和方法

专利名称：识别、定位和跟踪实验室设备上的物体的装置和方法
识别、定位和跟踪实验室设备上的物体的装置和方法本申请是PCT国际申请号为PCT/CH2005/000183、国际申请日为2005年3月30 日、题为“识别、定位和跟踪实验室设备上的物体的装置和方法”的申请的分案申请。本发明涉及一种利用计算机控制的射频识别(RFID)系统和附着在物体上的射频 识别标签或“RFID标签”来识别、定位(locate)和跟踪实验室设备上的物体的装置和方法大多数产业部门需要在工作站上或工作站之间移动物体的自动化系统。更具体 地，这涉及用于在每一工作站精确放置物体的定位系统(positioning system)，该系统包 括在特定工作站操作物体的装置。例如，在药物研究或临床诊断中，使用了若干类型的自动 化系统。在这两种情况中，这都涉及一些常规装置，这些常规装置基本上总是由将流体或干 制剂从一个容器移至另一个容器的方法的变化形式构成。另外，这些制剂是用如光学测量、 吸液管转移、洗涤、保温和过滤等已知的方法来检查或处理的。在利用所谓的“工作站”或专用装置进行样品转移和操作的范围内，这些已知的自 动化系统是类似的。这些工作站可个别地手动操作或被连成一自动化系统。采用自动系 统，用户就不必再执行所有这些单个的处理方法或为这些方法作准备工作。将这些已知系 统进行合并的另一个常见的因素在于样品往往是在标准化的微板中进行处理的这一事实。 这类微板可以用每一可能的形式来获得，但通常包括成规则的8X12栅格状排列的中心间 隔9mm的96个样品容器或“孔”。也使用了孔数为几倍于该数目或甚至只有一部分该数目 的微板。不同的工作站可与一台或多台自动机械相连接来传送微板。可在工作台的上部使 用一个或多个根据笛卡儿直角坐标系移动的自动机械。这些笛卡尔自动机械能搬运板或其 它样品容器，也能转移流体。中央控制系统或计算机监视和控制这些已知的系统，这些系统 的显著优点在于工作过程完全自动化。因而，这类系统能连续运行数小时或数天，而无须人 工干预。采用所谓的“微板堆积器(plate stackers) ”可以利用另一种可能的自动机械。 从而，例如可将装载堆叠器(stacker)置于一台如液体处理系统或光学平板扫描装置之类 的设备的一侧，而将输出堆叠器置于另一侧。于是，微板可通过由输送带或机械手，例如“拾 取-放置臂”，送入该装载堆叠器的输入区。当该自动系统完成一处理步骤时，该微板相应 地被置于输出堆叠器的输入区。这类堆叠器通常使用可移动盒，因此能一次性将大约20个 微板全部从一系统移到另一系统。这通常是手动完成的，或者借助用于在工作站之间转移 堆叠物的摇杆自动机械完成。通过简单地将整个堆叠物插入培育箱中就能培育该样品。板 堆叠器也可以和常规工作站相组合。在大多数自动化工业的不同部门中，无论其涉及药物研究、临床诊断或甚至是这 类产品的制造，都需要一种定位和跟踪实验室设备上的物体的装置或方法。这种需求特别 地涉及一种对样品液体处理工作站的工作台上的物体进行定位和跟踪的系统和方法。从US 6，429，016中可以得知一种用于相对于自动系统中的某一特定装置来定位 (positioning)样品或装料的系统或方法。其中公开了一种由两部分组成的装置，该装置 采用用于工作站之间较大样品的移动的“宏定位系统”和用于样品的精确定位的“微定位系 统”。该“宏定位系统”是以在携带样品容器，如微板的同时沿某一轨迹或轨道体系移动的自动机械作为基础。在某一期望的工作站处，每次插入在工作站和样品架之间的辅助“微定位 系统”提供了样品在该工作站的一预定位置中的精确定位。该位置和用于与样品相互作用 或对样品执行特定任务的装置(如移液或分配装置)的设备相对应。当一自动机械到达其 指定目的地时，它在那里被识别并被检查以了解它是否在正确的位置上。这可使用双向红 外线链路、邻近射频、射频识别(RFID)、电接触或者一维或二维条形码来完成。该系统的复 杂性至少部分机遇多个载物自动机械，而每一自动机械又具有其自己的独立导航系统。该 自动机械沿工作台表面上的轨迹体系运动这一事实造成了该系统的局限。这意味着该轨迹 体系占用的至少大部分区域是不能进入的，因为它是“交通区域”，且不能用于样品处理。从US 6，127，928中得知一种定位和跟踪文档和其它物体的方法和装置。它公开 了一种能自动并快速地发现诸如办公文件和类似物体等文档的存放位置的射频控制系统。 由个人计算机(PC)控制的中央发射器以第一频率向位于书柜或抽屉中的廉价制造、可寻 址的本地发射器/接收器发送已编码射频信号(RF信号)。这些本地的、还可按序寻址的发 射器通过天线以第二频率中继该已编码RF信号。例如，包含与由本地发射器中继的编码相 同的编码的无源射频识别(RFID)标签被贴到文件柜上，而且如果它靠近本地发射器天线， 则可从由本地发射器产生的RF场接收能量。该被激活的RFID标签现在调制第二频率的RF 信号，于是中央发射器接收到该已调制信号。通过耦合到中央发射器的PC，该系统现在能够 可以自动并迅速地执行将以RFID标记的文件夹定位至办公室环境中一特定屉子或特定书 柜架的操作。但是，本领域的技术人员没有认识到该系统可适用于识别、定位和跟踪实验室 设备上的物体。因此，本发明的一个任务是提出一种识别、定位和跟踪实验室设备上的物体的替 代系统和方法。本发明的又一任务是提出一种识别、定位和跟踪实验室设备上的物体且其 运行和使用简单的系统和方法。本发明的另一任务是提出一种识别、定位或跟踪实验室设 备上的物体的系统和方法，该系统和方法不占用任何工作面作为交通区域。独立权利要求的特征提供了这些和其它任务的技术方案。从属权利要求将清楚地 表明本发明的优选改进方案和附加特征。本发明基于以下概念所有置于实验室设备工作台上的物体，如模块、载送架和实验室器皿物体等首先 都配有一射频识别(RFID)标记，或RFID标签。根据本发明的系统提供了激活这些RFID标 签并接收由这些RFID标签发射的RF信号的装置。作为包括至少三个RFID标签扫描仪器件的三维装置及借助基于时间的询问和 3-D三角测量对该RFID标签进行识别的位置识别系统(很可能昂贵许多)的替代，提出了 一种更简单的系统，该系统通过对存在的RFID标签的采集，将一般的激励与每一情况中采 用的基于位置的激励相结合。因而，所提出的策略非常适用于促进稳健的、基于位置的标签 识别。提供了被配置为激活所有存在的RFID标签的装置，从而能根据贴标签的物体的 类型按组采集和列出所有来自这些标签的RF信号。还提供了以使工作台上存在的每一 RFID标签能够被个别地激活的方式来配置，从而能检测到该系统的工作台上的坐标格网中 每一 RFID标签的当前位置的装置。本发明提供的优点包括
1.能获得工作台表面上的载送架或支架的可能的错误定位，其中该错误定位是独 立于自动机械的运动或坐标系而检测的；2.能获得通用实验室器材，例如载送架或支架上的微板或样品管的可能的错误定 位；3.产生与所获得的载送架或支架的可能的错误定位(参见1.)以及所获得的通用 实验室物体的可能的错误定位(参见2.)相对应的位置和运动的列表，这些列表是独立于 自动机械的运动或坐标系而编制的，并且代表了其实际位置的真实指示；4.将根据3.的分布集成到高级物流系统中，该物流系统例如可包括化学药品库、 堆叠器、培育箱、分析仪器、离心机、成像系统等；5.在不用机械固定元件的情况下将微板载送架和试管支架精确固定在光滑的工 作台表面上；6.在不用机械固定元件的情况下，只需作清洁和消毒，可以使用完全平整、光滑的 工作台表面；7.对位置获得以及如微板和样品管等常规实验室物体的载送架或支架的运动的 空间分辨率明显高于现有技术中的已知系统；8.不必如现有技术的已知系统中那样去获知RFID标签的本地激励器的当前位 置。本地激励器的当前位置可被自动获得；9.根据本发明所对RFID标记(标签)的使用完全兼容于对如条形码等其它识别 系统的并行或同时使用。现将参照示例的示意图对根据本发明的系统或方法作更详细的描述。这些附图不 以任何方式限制本发明的范围。附图如下

图1为实验室设备工作台的俯视图，其中根据本发明的系统以根据第二实施方式 的第一和第二格网变化形式来实施图2为贯穿根据图1的实验室设备的工作台的垂直局部剖视图；图3A为贯穿具体化为微板载送架的本地单元的垂直局部剖视图；图3B为具体化为样品管支架的本地单元的垂直局部剖视图；图4A为根据发明(I)的第一通信图；图4B为根据发明(II)的第二通信图。在根据本发明的第一实施方式中，提供了一种用于识别和定位或跟踪可置于工作 台3上的物体2的系统1。工作台3是如吸取和放出液体的移液设备或用于计量液体的分 配器之类的自动样品处理器(RSP)形式的实验室设备4的一部分。系统1包括至少一台能 发射和接收射频(RF)信号的中央发射器5。该第一实施方式的中央发射器5还能转换接收 到的RF信号并将这些经转换的信号中继到系统1的计算机7。系统1包括至少一个安装在 工作台3的表面8上并能接收和发送RF信号的本地单元6。系统1包括贴在本地单元6以 及将被识别和定位或跟踪的实验室器皿物体15上的射频识别(RFID)标签。系统1(如所 提及的)包括实验室设备4的工作台3以及能连接到实验室设备4且经由接口与中央发射 器5连接的计算机7。计算机7能够与中央发射器5通信、处理所接收的来自后者的信号、 并经由中央发射器5呼叫所选的RFID标签10。采用这些最低限度的器材，就能够确定单个 实验室器皿物体15 (如微板)的存在以及实验室器皿物体15 (如样品管)的当前位置和运动，i亥实骀室器皿15被放置干单个载送M 13或IM 14卜.能彳共诜取。中央发射器5和 RFID标签10之间的通信能根据该第一实施方式(未详细示出)，仅使用RF信号(根据图 4A中的通信图)来进行。阅读下面对第二实施方式(也示于附图中)的描述，本领域的技 术人员可清楚地理解这一简单的第一实施方式的运行机制。可以观察到，对于该第一实施 方式，必须使用能够发送更复杂信息的RFID标签10 ；此更复杂的信息至少包括给出贴上了 它们的实验室器皿15的类型的唯一标识和/或数据。采用该最低限度的器材，可获得关于 实验室器皿物体15的身份和数量以及关于单个微板的位置的信息。但是，如果不在插入位 置中采用如遮光板等附加装置，只能获得标识，但不能获得多个实验室器皿15物体(如样 品管)的位置。进一步开发且因而优选的第二实施方式如图1和图2所示。图1示出了实验室设 备4的工作台3的俯视图，其中根据本发明的系统1以与本发明的第二实施方式相对应的 第一和第二格网变化形式来实施。所示的实验室设备4采用自动样品处理器(RSP)的形式， 并包括工作台3和机械手29，以将移液装置30基本上在工作台3的整个工作区域上移动。 实验室设备4采用用于吸取和放出液体的移液装置或用于计量液体的分配器的形式。其它 样品处理器包括用于如微板等实验室器皿物体15的堆叠器或培育箱；用于实验室器皿物 体15的称重系统；用于如微板或样品管等实验室器皿物体15的离心机；扫描或成像装置 以及所有其它对样品进行检查或操作的仪器。所示工作台3沿纵向(X)和横向(Y)方向延 伸，这两个方向构成直角。给定工作站或甚至不同工作站的不同工作区或贮藏区可通过一 个或多个自动操作器32，如载板自动机械(参见图2)或如传送带或轨道系统等其它自动输 送装置连在一起。物体2被放在或能被放在实验室设备4的工作台3上。根据本发明，该物体2包 括能固定于工作台3的表面8的本地单元6。本地单元6被设计成能从激活单元9 (未示 于图1中；参见图2)接收能量、发射射频(RF)信号并呼叫和激活多个射频识别(RFID)标 签10(参见图2)。此处，本地单元6结合于载送架13中。根据本发明，这些实验室器皿物 体15包括样品的容器，例如样品管中的或者所有可能尺寸和所有可能容量的微板(例如， 较佳地为具有96、384或1536个孔的微板)中的流体样品。实验室设备4的工作台3配有 至少一个激活本地单元6(未示于图1中，参见图2)的可寻址激活单元9。工作台3包括 被设计成将工作台表面8划分成网格单元12的虚拟网格11。根据本发明的第一种变化形 式，该网格11为笛卡尔直角坐标系(参见图1)，如由贯穿透过工作台3的面板23的通孔 24的排列的中心的线条所标记的。如果虚拟网格11由较小的网格单元12限定，则通孔24 之间的距离可以缩小。或者，根据第二种变化形式，网格11可相对于工作台3的纵向侧X 和横向侧Y倾斜。网格11的该第二种变化形式的倾斜角优选地应为45°。根据再一种形 式，如图1的左上方所示，格网11的两种变化形式可以组合。在目前所示的具有通孔24的钢质面板23的一种变化形式中，物体2可置于由塑 料制成(或至少有一塑料表层27)的面板23上，该面板23上具有代替通孔24的半透明部 或不具有该透明部。另一种可能性是使用不具有通孔24的铝制面板23。在任何情况下，较 佳的是应使工作台3的表面8尽可能地光滑，从而在使用工作台3时可易于进行清洁和消 毒操作。对于工作台3的表面8，优选的是化学惰性材料，如钢、塑料或铝等。例如，如果使 用遮蔽通孔24的塞子25或用透光部28来代替，则该塞子表面26或透光部28的表面优选与工作台3的表面8平齐，从而得到光滑、平坦的工作台表面8。如果采用了带有完全平整 的上表面的工作台3，则工作台3的面板23应优选地可以透过用于激活本地单元6的所有 可能的电磁波长。图2示出贯穿根据图1的实验室设备的工作台3的垂直局部横剖视图。该图示出 了一种对置于实验室设备4的工作台3上的物体2进行识别、定位和跟踪的系统1。系统1 包括实验室设备4的至少一个工作台3、中央发射器5、至少一个本地单元6、计算机7、至少 一个可寻址激活单元9、RFID标签10和由网格单元12组成的网格11。物体2，即实验室器皿物体15 (如样品管或微板等)包括载送架13或支架14，它 们被置于该实验室设备4的工作台3上。RFID标签可或已被贴到这些物体2上。通过激活 这些RFID标签10，可以识别这些物体2并对其在工作台3上的当前位置进行定位。如果 在一物体2运动之前和之后识别和定位这些物体2，就可跟踪该物体2在工作台3的表面8 上的所有运动。如此，就可以识别、定位和跟踪所有物体，因为它们带有可激活RFID标签10 且能相对于网格11来设立其位置。可启用简易的RFID标签用于仅发送标准化的RF信号。但是，较佳的是RFID标签 10能发送如采用表明被定位物体的类型的消息形式的单个识别信号。特别优选的是，特殊 的RFID标签10发送给出带有该特殊标签10的实验室器皿物体15中所容纳的样品的类型 和来历的单个(唯一)标识。特别优选的RFID标签10包含当前和将来市售RFID标签的 所有特征。尤其关注的是可擦写RFID标签10。实验室设备4的工作台3包括将工作台3的表面8划分为网格单元12的网格 11 (参见图1)。工作台3还包括向结合于本地单元6中的接收器元件19发射能量的发射 器元件22。这些发射器元件22按照其在工作台3的表面8下的位置或当前排列来限定网 格11的网格交叉点。该第二实施方式中的系统1 (参见图4A中的第一通信图)包括通过接口和计算机 7相连、并能够发射和接收射频(RF)信号的中央发射器5。优选地，中央发射器5还能够控 制位于工作台3上的至少一个本地单元6。根据第二实施方式，这些本地单元6能被固定在 工作台3的表面8上，并适用于从至少一个激活单元9接收能量。中央发射器5还能转换 接收到的信号并将这些经转换的信号中继到计算机7。计算机7可与实验室设备4相连，并 经由接口同时连接到中央发射器5和激活单元9两者。计算机7能与中央发射器5通信、 处理从后者接收的信号并控制所选的激活单元。优选地，本地单元6在实验室设备4的台面8上的安装应当不会造成工作台3台面 的任何变动，即，例如，工作台3的面板23之内或之上没有任何凹槽、轨道、螺栓或类似物。 因此，优选地，本地单元6在基本上平的工作台3上的安装要依靠定位装置17来完成，该定 位装置17是本地单元6的一部分。这些定位装置17优选地采用磁体或磁性装置20的形 式，磁体或磁性装置20包括永久磁体和/或电磁体。定位装置17可包括接收元件19和/ 或微定位元件21。微定位元件21也可独立于前述定位装置17做在本地单元6中。本地单 元6还能发射RF信号以及控制和激活一定数量的RFID标签10。如上所述，实验室设备4采取自动样品处理器(RSP)的形式，该自动样品处理器 (RSP)包括工作台3和基本上可用来将移液装置30在工作台3的整个工作区域上移动的机 械手29。这里，工作台3以纵向⑴和横向⑴延伸，这两个方向成直角(参见图1)。移
9液装置30，或至少是固定于移液装置30的移液针或移液头，能在Z-向移动，Z-向基本上与 以纵向(X)和横向(Y)延伸的工作台3垂直。特定工作站或甚至是不同工作站的不同工作 区或贮藏区可用一个或多个自动操作器32连在一起，例如，载板自动机械(参见图2)，或如 传送带或导轨系统之类的其它自动输送装置。本地单元6优选结合在载送架13或支架14上。每一载送架13或支架14可配备 成用至少一天线16识别置于该载送架13或支架14上的各个实验室器皿物体15。系统1 提供的那至少一个可寻址激活单元9经由发射元件22对本地单元6的激活而发挥作用。第二实施方式中的系统1(参见图4B所示的第二通信图)还包括通过接口连接至 计算机7且能从工作台3上的至少一个本地单元6接收RF信号的中央发射器5。除此之 外，中央发射器5能接收来自附着于实验室器皿物体15的RFID标签10的RF信号。这些 本地单元6能固定于工作台3的台面8上并能从激活单元9获取能量。每当此刻，本地单 元6对能量的获取优选地与对本地单元6的识别相结合。通过根据某一本地单元6在格网 11的某一具体位置上的能量吸收来确立该本地单元6的存在，就能对该特定本地单元6进 行识别。此外，可进行个别识别，该本地单元6在电路上覆盖一个调制频率，其中的电路即 能量经由发射元件22和接收元件19到达该本地单元6的电路。优选地，该频率调制应是 格网11上的某一特定位置特有的。或者，某一特定本地单元6的识别可通过贴于该本地单元6的RFID标签10产生 所的RF信号的发射来进行。在这种情况下，RFID标签10经由发射元件22和接收元件19 被激活，所述发射元件22和接收元件19在格网11的某一具体位置处于操作接触，并且接 收元件19和本地单元6的RFID标签10电连接。优选地提供集成开关18，藉由该集成开关 18对供给本地单元6的RFID标签10的激活能量加以控制。图3A表示制成微板载送架13形式的本地单元6的垂肓向局部剖视图。本地单元 6还是包括磁体或磁性装置20形式的定位装置17，如图2所示及前文所述。在这里，定位 装置17包括一接收元件19和两磁性装置20。接收元件19采取能被发射元件22的电磁场激活的感应线圈的形式，发射元件22 采用电磁线圈的形式(未详细示出)。每一发射元件22设于工作台3的台面8下并处于 相对于网格11界定出的位置。当本地单元6的接收元件19被设为与发射元件22相对齐 (参见图2)，发射元件22的电磁场通过电磁感应在接收元件19中产生电流。为此，不需要 提供任何插接件来向本地单元6供给电流，所以工作台3的台面8能保持平整。当然，工作 台3的面板23，或至少封闭通孔24的塞子25，必须可透过发射元件22的电磁场。或者，接收元件19可采取能接收光能并将其转换成电能的光学元件形式。这种情 况下，设于工作台3的台面8下并处于相对于网格11界定出的位置的发射元件22采取光 学元件的形式，如高性能激光二极管等。当然，工作台3的面板23、表层27或至少封闭通孔 24的塞子25，必须可透过由发射元件22发出的光。任何情况下，接收元件19优选地连接到与天线16相连的集成开关18。例如，这 个天线16要设置得在附着有RFID标签10的微板被置于载送架13上时，天线16将密切靠 近实验室器皿物体15的RFID标签10。为此，为了激活在载送架13周围的接收元件19，即 使微弱的RF信号也足够唯一地激活收纳于载送架13中的实验室器皿物体15的RFID标签 10。
图3B表示样品管支架14形式的本地单元6的垂直向局部剖视图。本地单元6包 括磁体或磁性装置20形式的定位装置17，如图2所示及前文所述。在这里，定位装置17包 括一接收元件19和两磁性装置20。同样，接收元件19优选地连接到与许多天线16相连的 集成开关18。天线16的布置使得如果有多个附着有RFID标签10的样品管被置于支架14 中，则天线16密切靠近这些实验室器皿物体15的各个RFID标签10的位置。为此，由支架 14的接收元件19的激活所产生的微弱RF信号的强度足够激活那些置于支架14上的实验 室器皿物体15的RFID标签10。优选地，集成开关18允许选择特定的样品管。为了毫不含糊地确立实验室器皿物体15的当前位置，即附着于这些实验室器皿 物体15的RFID标签10的当前位置，绝对必要的是天线16仅仅寻址并激活一个特定的、唯 一的RFID标签10。通常，唯一的RFID标签10和指定对其进行激活的天线16的密切靠近 确保了将RF信号可靠地发射到该选定的RFID标签10，从而存在的其它RFID标签10都不 识别该发射。对各个RFID标签10和/或天线16的额外屏蔽(例如，通过使用铝箔片)能 进一步改善接收的可靠性。为了简化附图的目的，图3B仅示出四个样品管。但是，在相对应地设计的支架14 上可容纳的样品管可以是任意常规数目，如1、2或其倍数如8、12、15、24或η。微定位元件 21可作为接收元件19的一部分容纳于本地单元6。为了能够连与理想位置的小偏差都检 测得到，优选提供特别布置的磁体或遮光板。任何本领域所属技术人员了解如何选择合适 类型的微定位元件21 (未被示出)从而能够对从接收元件19与发射元件22之间精确对齐 的位置的偏离进行灵敏地检测。微定位元件21可作为磁性装置20的一部分容纳于本地单元6中。为了能够连从 理想位置的小偏差都检测到，优选提供特别布置的磁体。任何本领域所属技术人员了解如 何选择合适类型的磁体(未示出)从而对从本地单元6的磁体20与工作台3的磁体20间 精确对齐位置的偏离进行灵敏地监测。微定位元件21可独立于接收元件19且独立于磁性装置20容纳于本地单元6。对 这些变型，遮光板(未示出)是特别优选的。如果RFID标签10被附着于本地单元6，后者也能向中央发射器5发送RF信号。 通过使用天线16，本地单元6能够对多个选定的、置于该本地单元6的载送架13上的实验 室器皿物体15的RFID标签10进行个别地寻址和激活。图4Α表示根据发明⑴的第一通信图。该通信图I用于一般识别，从而编出将实 验室装置4工作台3上的物体2按实验室器皿物体15和样品分类的清单。中央发射器5 能用第一信道(cl)发射RF信号并用第二信道(c2)接收RF信号。就本发明而言，术语“信道”应理解为表示任何想象得到的信息发送和/或接收方 法的任何可能途径。就本发明而言，术语“信道”可理解为表示专用射频、所分配的电缆对、 专用调制模式(如RF调制、放大调制等)、或特定带宽。图4A示出了两种信道形式RF信 号cl和c2及通过接口将中央发射器5和计算机7相连接的电缆(两端箭头线)。图4B表示根据发明(II)的第二通信图。该通信图(II)用于个别地识别实验室设 备4工作台3上的物体2，如支架14、实验室器皿物体15和样品等。中央发射器5能用第 二信道c2发射RF信号并用第三信道(c3)接收信号。第三信道c3包括将计算机7与激活 单元(9)相连的第一部分、将该激活单元9与至少一个发射元件22相连的第二部分(c3a)
11以及将本地单元6与至少一实验室器皿物体15相连的第三部分(c3b)。图4B示出了多种形式的信道RF信号c2和c3b ；激活单元9和发射元件22之间 的电缆中的定向信号、经由发射元件22激活接收元件19中的定向信号、和通过接口将中央 发射器5与计算机7相连的电缆(两端箭头线)中的定向信号。此外，绘出了本地单元6 和其天线16间的线路以及本地单元6的接收元件19和的RFID标签10 (亦参见图4所示 的(t))间的线路。本地单元6的RFID标签10采取本地发射器/接收器的形式，其能够接收第一信 道cl的RF信号(参见图4A)、将这些信号转换成相应的第二信道c2的RF信号并将这些第 二信道c2的RF信号发射到中央发射器5。本地单元6优选还能经由发射元件22供以电流并能用附着于本地单元6的RFID 标签10发送C2的RF信号。本地单元6优选还能经由发射元件22激活并能通过天线16向 附着于收纳在支架14中的实验室器皿物体15的RFID标签10发射c3b信号。至于该RFID 标签10，它能将c2RF信号发射到中央发射器5。每一 RFID标签10可以是无源RFID标签 10，通过第一信道接收cl RF信号并通过第三信道接收c3 RF信号同时通过第二信道发射 c2 RF信号。如果第三信道c3被反向地用于发射元件22、激活单元9和计算机7之间，则发射 元件22能被计算机7识别。通过与网格单元12相对准地设于工作台3下的发射元件22， 每一个本地单元6的接收元件19可被个别地寻址。至于发射元件22，经由激活单元9它们 能被单个地控制和激活。构建工作台3的方式有若干优选的变型第一种变型包括具有通孔24的钢质面板23，通孔24以阵列形式布置并与格网11 相对应。在任一情况下，在封闭通孔24的塞子25下方有一与之对齐的发射元件22。每一 塞子25的塞子表面26与工作台3的台面8平齐。工作台3的第二种变型包括台面8上的塑料表层27，该塑料表层27以与格网11 相对应的阵列的形式展示多个透光部28。在各种情况下，透光部28下方设有一与之对齐的 发射元件22。工作台3的第三种变型包括铝质面板23。发射元件22设于该铝质面板下方。每 一发射元件22被配置成电磁发射器，该铝质面板可透过发射元件22的磁场。根据本发明用于识别置于实验室设备4的工作台3上或系统1上的物体2的优选 方法的应用可获得第一组一般信息并包括下述程序步骤a)供识别的所有物体2优选配有射频识别(RFID)标签10。由于还可以通过发射 元件22/接收元件19组合、利用第三信道c3a(参见图4B)对这些本地单元6进行寻址，所 以为本地单元6提供RFID标签10不是绝对必要的。但是，必须为如样品管或微板等每一 个实验室器皿物体15配设一 RFID标签10。b)将载送架13或支架14置于工作台3的台面8上。这些载送架13或支架14， 被设计为用于收纳实验室器皿物体15。可视具体情况将实验室器皿物体15置于载送架13 或支架14上。载送架13的放置可以通过手工进行或者由实验室设备4的自动机械进行， 无论何种情况，载送架13都包括本地单元6。实验室器皿15的放置可类似地手工进行或者 通过实验室设备4的自动机械的自动操作物体。
c)由计算机7向经由接口与其相连的中央发射器5发送要求发射通用射频(RF) 信号的命令(参见图4A所示的两端箭头线)。该命令可由操作人员或相应计算机程序中的 程序步骤启动。d)所要求的通用RF信号由中央发射器5用第一信道Cl发射。所述发射优选使用 第一频率的RF信号。e)在步骤d)中发射的所述通用RF信号由所有附着于物体2的RFID标签10接 收。因为至少每一个实验室器皿物体15上配有所述RFID标签10，通过接收该通用信号， 所有这些附着于所述实验室器皿物体15的RFID标签10被激活。如果本地单元6也配装 RFID标签10，那么这些RFID标签10也接收该通用RF信号并也被激活。RFID标签10优选 设计为接收第一频率的RF信号。f)对RFID标签10在步骤e)中接收到的RF信号进行转换并用第二信道c2将转 换后RF信号发射到中央发射器5 (参见图4A)。可以采用任意可能类型的防冲突协议，所 以，来自RFID标签10的RF信号可以例如用波长与第一频率不同的第二频率来发射。根据 所用RFID标签10的容量，发射到中央发射器5的RF信号可以只是一个简单的信号，这个 简单的信号仅仅传达该RFID标签10存在即本地单元6或实验室器皿物体15存在的信息。 然而，优选的是用于发射RF信号的RFID标签10能给出某些关于其所附着的物体2的类型 的信息。特别优选的是发射关于容纳于相关实验室器皿物体15中样品类型和来历的信息。 特别优选的RFID标签10包括当前和将来市售RFID标签10的所有特征，其中，可擦写RFID 标签10尤其值得关注。g)中央发射器5接收RFID标签10在步骤f)中发送的所述RF信号。h)中央发射器5将在步骤g)中接收的信号转换成数字数据。优选地，中央发射器 5应当能够发送第一频率RF信号和接收第二频率RF信号。i)中央发射器5将在步骤h)中转换后的所述数字数据发射到计算机7。i)计算机7接收中央发射器5在步骤i)中发射的所述数字数据并进行处理。根 据中央发射器5传送的，即源自RFID标签10的信息，机算计确定RFID标签10或在实验室 设备4的工作台3上的物体2的数量。如果采用防冲突协议，该计数会容易得多。例如，此 类防冲突协议可包括按顺序地(而非并行地)从诸RFID标签10向中央发射器5发射所述 诸RF信号、或包括按顺序地至少从中央发射器5向计算机7传送所述相应的数字数据。如 果RFID标签10发射附加信息，计算机7能够编制在工作台3上的所有物体2的清单。在 所述方法的最佳方案中，计算机7甚至可生成工作台3上所有物体2和所有的样品的清单。利用所述识别和定位置于实验室设备4的工作台3上的物体2的优选方法以定位 这些物体2还包括下述方法步骤k)根据本发明，由计算机7向系统1的激活单元9发送一个向选定的本地单元6 传输能量的侖令。同样地，该命令可由操作人员或相应计算机程序中的程序步骤启动。激 活单元9通过接口与计算机7相连并为此目的使用第三信道c3a。该信道c3a采取的是将 激活单元9与工作台3的所有发射元件22相连的电缆的形式。借助于发射元件22与激活 单元9间的各电缆，可个别地向每一发射元件22供给能量。然而，可以同时驱动任何选定 的发射元件22或其全部。1)根据本发明，通过设置在实验室设备4的工作台3的面板23下的发射元件22供能的诜定的本地单元6由这㈣发射元件22供给能量。这是通过采取例如电磁感应线圈 或光学元件形式的发射元件22得以实现的。m)在步骤1)中激活的本地单元6通过一个或多个天线16将c3b RF信号发射到 附着于收纳在本地单元6的载送架13或支架14中的实验室器皿物体15上的RFID标签 10。对于每一插在本地单元6的支架14中的样品管，优选只有最靠近当前正在发射的天线 16的RFID标签10被激活。因而，当本地单元6的天线16被按顺序激励时，所述样品管的 每一个RFID标签10可被个别地激活。因为本地单元6的集成开关知悉天线16的发射点， 每一 RFID标签10及其样品管中的各个样品可被识别和定位或注明。对于置于本地单元6 的载送架13上的微板，可采用相应的等效方法。如果有不止一块微板置于载送架13上，这 也是适用的。c3b RF信号优选为第一频率RF信号，这与由中央发射器5发射的所述RF信 号相同。η)最靠近正在发射的天线16的附着于实验室器皿物体15的RFID标签10接收相 应本地单元6的c3b RF信号。通常，单个RFID标签10与指定用于其激活的选定天线16 的密切靠近将足以确保该RF信号唯一地发射到该RFID标签10 ；也在载送架13上的其它 RFID标签10中没有一个会识别该信号发射。对个个RFID标签10和/或天线16的附加 屏蔽(例如，通过使用铝箔片)能进一步改善接收的可靠性。结果，只有一个特定RFID标 签10接收到所述RF信号而被选择性地、个别地激活，且该RFID标签10将步骤m)中接收 到的c3b RF信号转换成第二信道c2RF信号并将其发射到中央发射器5。c2RF信号优选为 与RFID标签10发射的RF信号的第二频率相对应的第二频率。ο)中央发射器5接收在步骤η)中由RFID标签10所发射的这些c2RF信号并将这 些RF信号转换成数字数据，该数据随即发射到计算机7。该数据的传输是通过经接口将中 央发射器5与计算机7连接的电缆进行的。ρ)计算机7对在步骤ο)中接收到的所述数字数据进行分析并建立工作台3上实 验室器皿物体15的X/Y分布图。工作台3上的X/Y坐标由位于格网11的网格单元12上 的本地单元6的当前位置所确定。优选将单个的Z值(或高度值)加到置于本地单元上的 实验室器皿物体15的当前位置的所述X/Y分布图上。如果使用采取收纳成叠微板的“多隔 间(hotels) ”形式的载送架13，优选将每一单个的Z位置，或每一单个实验室器皿物体15 的每一单个Z值以同样的方式记录于所述X/Y分布图上。为了能够获取Z值，在可插入微 板的每一层或每一 Z水平面上配备天线16 (如有需要再配备屏蔽物)。这些本地单元6的 识别是通过经由激活单元9选择性地进行寻址，或通过在激活单元9与某些或所有本地单 元6之间通过信道c3a有次序地通信来进行(参见图4B)。作为该方法的一种变化形式，如 果本地单元6附着有一 RFID标签10，中央发射器5可对本地单元6寻址。如果是这样，此 类RFID标签10应优选设计成还能够发送与其所附着的本地单元6的类型相关的信息。应用根据本发明步骤来识别和定位放置于实验室设备4的工作台3上的物体2来 获取与位置变化或移动相关的信息包括重复上述程序步骤a)至ρ)中的某些步骤或所有步 马聚ο任何能透过工作台3传递能量的系统都可用来用设于实验室设备4的工作台3之 下的发射元件22进行对选定的本地单元6的激活。用于所述能量传递的优选系统包括使 用电感应、电容耦合或光学传递。
类似地，任何能向被实验室器皿物体15占据的单个位置供给能量的系统可激励 附着于实验室器皿物体15的RFID标签10。优选的所述能量传递系统包括使用RF信号、电 感应、电容耦合或光传输(例如，以可见光或红外线的形式)。对于光传输，特别优选使用射 向集成于或至少功能上连接到RFID标签的光电池上的聚焦红外线。每一个实验室器皿物 体15上的一个要被激励的光学元件,比如导引到各个实验室器皿物体的高效激光二极管 或各个光导管，可使本地单元6能向所述光电RFID标签传输能量。如果将光导管用于置于 本地单元6上的若干个实验室器皿物体15，单独的激励光波长可被分配到每一个光通道。使用光能尤其是聚焦红外线的优点包括显著地更容易屏蔽该实验室器皿物体15 附近的那些不要被激励的物体的RF信号。例如，还可提供向本地单元6和向实验室器皿物 体15的RFID标签10传输能量的方法的组合变化形式，其中本地单元6可被电感应激活， 而实验室器皿物体15的RFID标签10被光，优选地被聚焦红外线激活。作为到目前为止所提出的具体实施方式
的另一种替代形式，光(例如，以可见光 或红外线的形式)还能用于触发转换脉冲。在该特殊实施方式中，通过电感应或RF信号进 行能量传递。优选为需要激活的RFID标签发射一个光脉冲并由与该RFID标签相连的相应 传感器检测到该光脉冲。其优点是一公共能源得以确保，所以尽管有一个或多个被寻址的 RFID标签的各个响应，也无需提供复杂的屏蔽规程。为了将本地单元6保持于其在工作台3的台面8上的位置上(但不使用如轨道、 凹槽、螺栓或插塞等机械留持装置)，采用了磁性装置20 (参见图2和图3)。这样，支架14 或载送架13也能被保持在工作台3上的位置上。为了确定被设计为包括收纳实验室器皿 物体15的载送架13或支架14的本地单元6的精确位置，可采用专门设计的发射元件22 和接收元件19作为微定位元件21。为此目的，选择能检测到毫米级或更小的空间变化的 发射元件和接收元件。只有通过使用遮光板或电感应系统才能获得如此高的分辨能力。于 是，电感应系统应包括发射元件22的线圈和接收元件19的线圈，从而当这些元件被一上一 下对齐地设于实验室设备4的工作台3上时，它们的电磁场磁力线的重叠区域非常窄。激 活单元9在与本地单元6通信时可容易地检测到不正确的定位通过本地单元6的能量吸 收明显减少的事实，即使最小的偏差也能被检测到。此类微定位元件21可构成发射元件22和接收元件19的一部分。它们也可被布 置为磁性装置20的一部分，或者以不同的设置方式，独立于本地单元6中的其它系统并位 于工作台3的台面8下。在各种情形中，优选根据格网11和网格单元12来界定微定位元 件21的精确位置。如果计算机7配有相应的软件，它能够绘出物体2，即实验室设备4的工作台3上 的本地单元6、载送架13和支架14以及实验室器皿物体15和样品的详细的表面分布图和 清单。此类实验室设备4可以是用于操作或处理诸如人或动物的血液和其它体液等样品的 单台仪器或高级物流系统31的一部分。此类高级物流系统31可包括所有处理、分析、操作、 转移和贮藏生物或化学样品所需的仪器和设备。计算机7优选能向此类高级物流系统供给 或提供所有与对工作台3的台面8上的物体2进行识别和定位有关的数字数据的能力。实 验室设备4能将工作台3上的各个样品的当前位置和移动的表示集成到用于处理和分析所 需样品的高级物流系统中。给定工作站或者甚至是不同工作站的若干不同的工作或贮藏 区，可通过一台或多台自动操作器32连在一起，例如，载板自动机械(参见图2)或如传送带或轨道系统之类的其它自动输送装置等。附图标记对应于全部附图中的相应元件，即使没有明确描述。图中所示或所描述 的特征的所有合理组合均为本发明的组成部分。各种不同的市售RFID标签展示了全范围 的数据存储设施、识别、频率范围、大小、空间运行区域和包括防冲突协议在内的通信协议。 本发明使用此类RFID标签10 ；然而，所述RFID标签10不构成本发明的一部分。为此，本 发明不限于某一具体类型的RFID系统或某一 RFID解决方案。目前为止提出的本发明实施方式的另一种变化形式中，其中可将特定被寻址方作 为激励的目标，还能规定同时激励范围内的所有RFID标签10，但是对某一特定的所选(或 者甚至是仅将单个排除在外的所有)RFID标签10进行电子干扰，从而防止它们发出响应。 由干扰得到的反向选择的优点是，与激励相比可能干扰信号可被更容易地发出或发射并更 精确地确定目标。来自RFID标签的任何可能的响应被确定它为目标的干扰所消除。还有 可能反向地使用信道，尤其是c3a和c3b以识别被访RFID标签10 (参见图4B)。对本领域 所属技术人员而言，本文公开的本发明特征的合理组合落入本发明的范围。
1权利要求
一种识别并定位物体(2)的系统(1)，所述系统(1)包括射频识别(RFID)标签(10)，附着于要被识别并定位的物体(2)，其中所述RFID标签被配置为接收和发送信号；载送架(13)或支架(14)，容纳要被识别并定位的物体(1)；多个天线(16)，发送信号至要被定位的RFID标签；至少一个单元，包括接收机元件(19)和发射机元件(22)，所述接收机元件(19)与所述天线(16)连接并且激活所述天线(16)，从而在密切靠近所述被所述接收机元件(19)激活的发送天线(16)的单个RFID标签(10)可被激活；并且所述发送机元件(19)发送能量至结合于所述单元中的所述接收机元件；计算机(7)；中央发射器(5)，至少发射信号到至少一个发射机元件(22)，从所述RFID标签(10)接收信号，以及转换所接收到的信号并将所转换的信号传输到所述计算机(7)；所述计算机(7)包括提供与所述物体(2)的所述识别和定位相关的数字数据的软件，所述软件处理从所述中央发射器(5)接收到的信号；其特征在于所述系统(1)被实现为实验室系统，包括具有实验室工作台(3)的实验室设备(4)，其中要被识别并定位的实验室器皿物体(15)，载送架(13)或支架(14)被置于所述实验室工作台(3)的台面(8)；所述实验室工作台(3)包括将所述实验室工作台(3)的所述台面(8)划分成网格单元(12)的虚拟格网(11)；所述至少一个单元实现为本地单元(6)，所述本地单元(6)包括至少一个接收机元件(19)并且被合并于所述载送架(13)或支架(14)中；发射机元件(22)被设置为在所述实验室工作台(3)的台面(8)下规定的位置，从而定义所述网格(11)的所述网格交叉点本地单元(6)的接收机元件(19)，被设置为在上面对准发射机元件(22)，所述发射机元件(22)通过所述实验室工作台(3)发射能量至所述接收机元件(19)；合并于载送架(13)或支架(14)中的至少一个天线(16)，使得与当前正在被所述接收机元件(19)激活并因此正在发射的所述载送架(13)或支架(14)的天线(16)最接近的实验室器皿物体(15)的单个的RFID标签(10)被单独激活。
2.如权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，所述本地单元(6)还包括用于对所述 实验室工作台(3)的台面(8)上的所述载送架(13)或支架(14)进行受控安置的安置装置 (17)。
3.如权利要求2所述的系统(1)，其特征在于，所述安置装置(17)包括接收机元件 (19)或者表现为磁性装置(20)的形式。
4.如权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，所述实验室系统(1)包括至少一个激活 单元(9)，所述激活单元(9)激活所述发射机元件(22)并与所述计算机(7)和所述中央发 射器(5)相连。
5.如权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，对于每个本地单元(6)，发射机元件 (22)表现为发射光能的光元件的形式，其中所述对应的接收机元件(19)表现为能接收所 述光能并将其转换为电能的光元件。
6.如权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，对于每个本地单元(6)，接收机元件 (19)表现为感应线圈的形式，并且相应的发射机元件(22)表现为电磁线圈的形式，用于通 过电磁场激活所述接收机元件(19)。
7.如权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，为了改善由天线(16)发射的并由规定 的RFID标签(10)接收的各个信号的接收性能，所述单个的RFID标签(10)和/或所述单 个的天线(16)相互之间屏蔽。
8.如权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，所述实验室工作台(3)包括具有通孔 (24)的钢质面板(23)，所述通孔(24)按照与所述格网(11)的格网交叉点相对应的阵列来 设置，其中在每种情况下有一个发射机元件(22)被设置为在下方对准塞子(25)，每一个塞 子(25)封闭这个通孔(24)且每个塞子(25)的表面(26)与所述实验室工作台(3)的台面 ⑶齐平。
9.如权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，所述实验室工作台(3)的台面(8)包括 塑料表层(27)，所述塑料表层(27)以与格网(11)的交叉点相对应的阵列的形式展示透光 部(28)，所述发射机元件(22)被设置为在这个塑料表层(27)的下面。
10.如权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，所述实验室工作台(3)包括铝质面板 (23)，所述发射机元件(22)作为电感应发射器被设置于所述铝质面板(23)下，所述发射机 元件(22)的磁场能透过所述铝质面板(23)。
11.如权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，所述实验室设备(4)为自动样品处理 器(RSP)。
12.如权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，为了光激活所述RFID标签，所述本地 单元(6)配有至少一个光发射元件，用于发射光信号，并且所述RFID标签(10)包括或者功 能连接于光电池以接收光能。
13.如权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，对应于所述工作台(3)的台面上的物 体(2)的位置的数字数据可供高级物流系统使用。
14.一种识别并定位实验室系统(19)的物体(2)的方法，所述方法包括a)向要被识别并定位的物体(2)提供射频识别(RFID)标签(10)，其中所述RFID标签 被配置为接收和发送信号；b)提供载送架(13)或支架(14)，容纳要被识别并定位的物体(1)；c)提供多个天线(16)，发送信号至要被定位的RFID标签；d)至少一个单元，包括接收机元件(19)和发射机元件(22)，其中所述接收机元件(19) 与所述天线(16)连接并且激活所述天线(16)，从而在密切靠近所述被所述接收机元件 (19)激活的发送天线(16)的单个RFID标签(10)可被激活；并且所述发送机元件(19)发 送能量至结合于所述单元中的接收机元件；e)提供计算机(7)和中央发射器(5)，所述中央发射器(5)至少发射信号至至少一个 发射机元件(22)，从所述RFID标签(10)接收信号，以及转换接收到的信号并将所转换的信 号传输到计算机(7)；其中所述计算机(7)包括提供与所述物体(2)的所述识别和定位相 关的数字数据的软件，所述软件处理从所述中央发射器(5)接收到的信号；其特征在于所述系统(1)以实验室系统被实现，包括具有实验室工作台(3)的实验室设备(4)，其中要被识别并定位的实验室器皿物体(15)，载送架(13)或支架(14)被置于所述实验室工 作台⑶的台面⑶；所述实验室工作台⑶包括将所述实验室工作台⑶的所述台面⑶ 划分成网格单元(12)的虚拟格网(11)；所述至少一个单元以本地单元(6)被实现，所述本地单元(6)包括至少一个接收机元 件(19)并且被合并于所述载送架(13)或支架(14)中；发射机元件(22)被安排为在所述实验室工作台(3)的台面(8)下规定的位置，从而定 义所述网格(11)的所述网格交叉点本地单元(6)的接收机元件(19)，被安排为对准发射机元件(22)并在发射机元件 (22)上面，所述发射机元件(22)通过所述实验室工作台(3)发射能量至所述接收机元件 (19)；合并于载送架(13)或支架(14)中的至少一个天线(16)，使得与当前正在被所述接收 机元件(19)激活并因此正在发射的所述载送架(13)或支架(14)的天线(16)最接近的实 验室器皿物体(15)的单个的RFID标签(10)被单独激活。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，为了跟踪物体(2)，激活单个的RFID标签 (10)并在物体移动前后由计算机处理所发射的数据。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，通过电感应或光激励来激活所述接收机 元件(19)。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，安置装置(17)用于在所述实验室工作台 (3)的台面⑶上放置载送架(13)或支架(14)。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述计算机(7)包括软件，使得所述计算 机(7)绘制台面图并列出在所述工作台(3)上的所述物体(2)。
19.如权利要求14所述的方法，其特征在于，对应于所述实验室工作台(3)的台面上的 所述物体(2)的位置的数字数据可供高级物流系统使用。
全文摘要
本发明涉及一种定位或跟踪能安置于实验室设备(4)的工作台(3)上的物体(2)的系统(1)。为此，该系统(1)至少包括a)能发射和接收射频(RF)信号、转换接收到的RF信号并将转换后的RF信号转移到计算机(7)的中央发射器(5)；b)装于工作台(3)的台面(8)上、能接收和发射RF信号的本地单元(6)；c)要附着于本地单元(6)和要被识别和/或定位或跟踪的实验室器皿物体(15)的射频识别(RFID)标签(10)；d)实验室设备(4)的工作台(3)和可连接到实验室设备(4)并通过接口与中央发射器(5)连接着的计算机(7)，该计算机(7)能和该中央发射器(5)通信，能处理从后者接收的信号并经由中央发射器(5)寻址选定的RFID标签(10)。根据本发明的所述系统(1)能被集成到高级物流系统中用于处理和分析任何所需样品。
文档编号G01N35/00GK101907630SQ20101023849
公开日2010年12月8日 申请日期2005年3月30日 优先权日2004年4月7日
发明者M·格雷特尔, N·伊根霍温 申请人:泰肯贸易股份公司