Robot de sencilla integración para la automatización de laboratorios

Los laboratorios están cada vez más automatizados, por lo que resulta fundamental contar con los robots adecuados para seleccionar herramientas y realizar tareas de precisión.

El mercado de la automatización de laboratorios sigue creciendo junto con la disponibilidad de sistemas de sobremesa, pero su aplicación más allá del pipeteado básico no es tan fácil. Después de varios años analizando la reacción del mercado, Andrew Alliance asumió este reto, que tuvo como resultado el robot de manipulación de líquidos Andrew+. Gracias a su creciente gama de accesorios, la unidad es capaz de hacer algo más que automatizar el pipeteado, algo que ya hacen muchos sistemas de la competencia (véase la figura 1).

Figura 1: El robot de manipulación de líquidos Andrew+ ha sido diseñado para trabajar con una creciente gama de accesorios.

Andrew+ forma parte del ecosistema conectado a la nube de la empresa OneLab, que permite que los usuarios diseñen y ejecuten protocolos de laboratorio de manera fácil y eficiente. Esta arquitectura flexible facilita la transición de los laboriosos procedimientos de pipeteado manual a flujos de trabajo totalmente robotizados y libres de errores. Lo mejor de todo es que los usuarios no tienen que ser programadores experimentados ni expertos en robótica de laboratorio o ingeniería de automatización.

Esta unidad básica de robot de manipulación de líquidos solo pesa 35 libras para un sencillo uso sobre una mesa y puede trasladarse a diferentes puntos de un laboratorio o a otros departamentos para realizar una amplia variedad de tareas. El robot trabaja con un rack de herramientas integrado. El robot agarra y asegura la herramienta adecuada para la tarea y ejecuta entonces la función asignada.

Andrew+ es un sistema modular que puede adaptarse a una gran cantidad de tareas y aplicaciones, como la preparación de muestras para el control de calidad, la química analítica, la dilución seriada, la preparación de plasma, la extracción de DNA, la normalización de concentraciones y muchas más. Con pipetas electrónicas de uno o múltiples canales, el sistema garantiza el rendimiento de la manipulación de líquidos a la vez que ofrece al usuario una máxima flexibilidad. Además, la unidad puede llevar a cabo una gran cantidad de pasos experimentales complejos, como agarrar columnas, en función de la aplicación.

Las pipetas ofrecen un rango de velocidad y dinamismo de dispensación de volúmenes de 0,2 µL a 10 mL (véase la figura 2). La unidad ha sido diseñada para adaptarse a la mayoría de las mesas de laboratorio y cabinas de bioseguridad, por lo que la versatilidad viene de serie. Puede funcionar con dos filas completas de Dominos (7 microplacas, 56 tubos Falcon o 168 microtubos) con una profundidad de ~60 cm/24 pulgadas, por lo que cabe incluso en las campanas más pequeñas. Gracias a su tamaño compacto, la unidad puede guardarse en un frigorífico y trabajar a temperaturas tan bajas como 4 °C.

Figura 2: Andrew+ trabaja con un variedad de pipetas estándar industriales, por lo que ofrece un amplio rango de volúmenes.

Accionamiento robótico con tres articulaciones

Andrew Alliance optó por tres motores EC 45 flat diseñados y fabricados por maxon para el movimiento del brazo robótico, ubicados en el hombro, el codo y la muñeca, respectivamente. Según Antoine Jordan, director de operaciones globales, «el tamaño y la superficie que ocupa el robot eran aspectos muy importantes para mantener un peso reducido y un volumen compacto».

La empresa había utilizado productos de maxon anteriormente, por lo que ya conocía la tecnología motriz antes de incorporarlos a este nuevo diseño. Les impresionó la estabilidad de los motores y la extensa gama de productos de maxon, compatibles con una gran número de aplicaciones y que ofrecían una completa flexibilidad de diseño para el proyecto. Andrew Alliance también tuvo la sensación de que, en caso necesario, podrían atreverse con una versión de los motores ligeramente adaptada a su aplicación.

Una vez tomada la decisión sobre qué motores utilizar, los parámetros de diseño se ajustaron para que el resultado final les permitiera producir un sistema altamente preciso. Debido a que la precisión es fundamental en un robot de laboratorio automatizado, el diseño incluyó un encoder absoluto integrado para el funcionamiento del sistema en bucle cerrado. Esto ayudó a alcanzar y mantener el nivel de precisión necesario para la aplicación final. El robot exigía la máxima precisión para sus dos funciones principales: ejecutar movimientos precisos al recoger los instrumentos y herramientas, y ejecutar la acción requerida una vez que la herramienta se encontraba en la pinza del robot.

Figura 3: Para el Andrew+ se utilizan tres motores DC EC 45 flat brushless, uno en cada articulación del robot.

Los motores adecuados

La decisión de incorporar los motores DC EC 45 flat brushless fue una de las más importantes dentro del proceso de desarrollo de la aplicación (véase la figura 3). Además de la precisión necesaria para el funcionamiento, los motores tenían que ser muy rápidos para responder a lo largo de toda la secuencia de movimiento. Dependiendo del lugar donde se encuentre el brazo robótico en cada momento, los pares requeridos pueden ser mayores, especialmente durante su funcionamiento en voladizo. Los sensores se integran con los controles del sistema para garantizar que el guiado del brazo se realiza sin tocar ningún otro sistema o componente.

Los motores son unidades brushless de 4 polos con conmutación electrónica, lo que les proporciona una vida útil extremadamente larga y un funcionamiento silencioso. Con la incorporación de imanes de neodimio de alta energía, los motores reaccionan rápidamente a la vez que mantienen un tamaño reducido. La potencia de salida continua es de 200 W, mientras que la velocidad máxima es de 12 000 r/min y el par continuo máximo alcanza los 265 mNm (37 oz-in), en función del bobinado.

Los motores EC45 utilizados en el Andrew+ son motores de serie con una ligera variación. maxon ya disponía de varias versiones diferentes del motor, por lo que fue sencillo para ambos equipos trabajar juntos y encontrar un producto que ya se hubiera utilizado anteriormente y fuera fácil de reconfigurar para la aplicación específica. Después de seleccionar y diseñar los primeros motores, las cantidades de producción estuvieron disponibles, por lo que el proyecto se desarrolló sin problemas.

Conclusión

Andrew Alliance descubrió que la colaboración con un proveedor de confianza les permitió seleccionar los componentes adecuados para Andrew+, su robot de automatización de laboratorios. Los motores EC45 ofrecieron la velocidad, los pares y la precisión que se requerían para que el robot realizara la amplia variedad de operaciones para las que había sido diseñado. La fiabilidad y una larga vida útil también fueron requisitos clave para la selección de los motores por parte de la empresa. Cuando se trabaja en una industria tan delicada como la automatización de laboratorios, tanto la experiencia en diseño como la tecnología son fundamentales.