Robot per l'automazione in laboratorio facili da incorporare

Poiché i laboratori diventano sempre più automatizzati, avere i robot giusti in grado di scegliere gli utensili ed eseguire operazioni di precisione diventa molto importante.

Il mercato dell'automazione da laboratorio è in continua crescita con sempre più sistemi da tavolo disponibili, ma fornire funzioni che vadano oltre il semplice pipettaggio può essere una sfida. Dopo anni di feedback sul mercato, Andrew Alliance ha accettato la sfida che ha portato al robot per la movimentazione di liquidi Andrew+. Grazie a una gamma crescente di accessori, l'unità è stata progettata per fare molto di più del semplice pipettaggio, come invece fanno molti altri sistemi della concorrenza (vedere la figura 1).

Fig. 1: il robot per la manipolazione dei liquidi Andrew+ è progettato per accettare e lavorare con una gamma di accessori crescente.

Fa parte dell'ecosistema connesso al cloud OneLab dell'azienda e consente agli utenti di progettare ed eseguire protocolli da laboratorio in modo semplice ed efficace. Questa architettura flessibile consente agli utenti di passare facilmente dalle laboriose procedure di pipettaggio manuale a flussi di lavoro in laboratorio completamente robotizzati e privi di errori. L'aspetto migliore è che gli utenti non devono essere programmatori con esperienza o esperti in robotica da laboratorio o ingegneria di automazione.

L'unità base del robot per la manipolazione di liquidi pesa solo 35 libbre quindi può essere uso facilmente sopra banco e può essere sviluppata per diverse parti del laboratorio o vari reparti consentendo un'ampia gamma di attività. Il robot funziona da un portautensili integrato, afferra e fissa l'utensile corretto per l'operazione, quindi esegue la funzione assegnata.

Andrew+ è un sistema modulare che può essere adattatp secondo le diverse attività e applicazioni, tra cui la preparazione di campioni per QC, chimica analitica, diluizioni seriali, preparazione di plasma, estrazione di DNA, normalizzazione di concentrazione e molto altro. Con pipette elettroniche singole e multicanale, il sistema assicura le operazioni di manipolazioni di liquidi offrendo al contempo la massima flessibilità all'utente. Inoltre l'unità è in grado di eseguire un'ampia gamma di passaggi sperimentali quali afferrare le colonne, in base all'applicazione.

Le pipette offrono una gamma di velocità e dinamica dei volumi da dispensare da 0,2 µl a 10 ml (vedere la figura 2). Poiché l'unità è stata progettata per adattarsi alla maggior parte dei banchi da laboratorio e armadi per la sicurezza biologica, la flessibilità è assicurata: l'unità è in grado di funzionare con due file complete di Dominos (7 micropiastre o 56 provette falcon o 168 microprovette), e occupa una profondità di ~60 cm / 24 pollici che la rende adatta anche alle cappe più piccole. Le dimensioni compatte dell'unità ne consentono il posizionamento nel refrigeratore e il funzionamento a temperature di 4 °C.

Fig. 2: Andrew+ funziona con una gamma di pipette standard offrendo un'eccellente varietà di volumi.

Azionamento robotico a tre giunti

Andrew Alliance ha scelto tre motori EC45 Flat progettati e prodotti da maxon per l'azionamento del braccio roboticio: uno per spalla, gomito e polso. Secondo Antoine Jordan, Global Operations Director, “Dimensioni e ingombro sono stati veramente importanti per mantenere il robot compatto e leggero.”

In passato l'azienda ha già utilizzato i prodotti maxon e ciò le ha consentito di aver già accumulato esperienze con la tecnologia dei motori prima di includerli nella nuova progettazione. La stabilità dei motori e l'ampia gamma di prodotti maxon compatibili con un elevato numero di applicazioni ha permesso una totale flessibilità di progettazione. Andrew Alliance ha inoltre ritenuto di potersi affidare a una versione con una minima appena customizzata dei motori per l'applicazione in questione.

Una volta presa la decisione sui motori da utilizzare, i parametri di progettazione si sono ridotti così tanto che il risultato finale è stata la produzione di un sistema di precisione altamente accurato. Poiché la precisione è così importante in un robot da laboratorio automatizzato, la progettazione ha incluso un encoder assoluto integrato per il funzionamento closed loop del sistema. Ciò ha permesso di fornire e mantenere la precisione necessaria per l'applicazione finale. Il robot necessitava di questo funzionamento estremamente accurato per entrambe le operazioni chiave: eseguire movimenti precisi nella fase prelievo dei diversi strumenti e utensili oltre ad eseguire le operazioni richieste una volta inserito lo strumento nell'impugnatura del robot.

Fig. 3: tre motori EC45 Brushless DC Flat vengono utilizzati sull'Andrew+, uno per ogni articolazione del robot.

I motori giusti

La scelta di incorporare i motori EC45 Brushless DC Flat è stata una delle decisioni critiche prese per l'applicazione (vedere la figura 3). Oltre alla precisione necessaria per il funzionamento, i motori dovevano essere molto veloci nella risposta all'intera sequenza di movimento. In base alla posizione del braccio robotico in un determinato momento, sono necessarie coppie maggiori, in particolare per le operazioni a sbalzo. I sensori si integrano nei comandi del sistema per verificare che il ritorno in posizione base del braccio venga eseguito senza toccare gli altri componenti del sistema.

I motori sono unità senza spazzole a 4 poli a commutazione elettronica che consentono una prolungata vita utile del motore e un funzionamento silenzioso. Incorporando magneti al neodimio ad alta energia, i motori sono molto reattivi con una dimensione totale ridotta. La potenza di uscita continua è di 200 watt, mentre la velocità massima è di 12.000 rpm e la coppia continua massima è di 265 mNm (37 oz-in) in base all'avvolgimento.

I motori EC45 usati su Andrew+ sono motori standard con una piccola variazione. Poiché maxon dispone già di diverse varianti del motore, è stato semplice per i due team collaborare e trovare un prodotto che fosse già stato utilizzato in passato e fosse semplice da riconfigurare per l'applicazione specifica. Una volta selezionati e integrati questi primi motori, le quantità prodotte sono state messe a disposizione e il progetto si è svolto senza problemi.

Conclusioni

Andrew Alliance ha riscontrato che, collaborando con un fornitore affidabile, è stato possibile trovare e scegliere i componenti giusti per il robot per l'automazione in laboratorio. I motori EC45 forniscono velocità, coppie e precisione necessarie per un'ampia gamma di operazioni che il robot dovrà eseguire. Affidabilità e prolungata vita utile sono stati requisiti critici per la scelta del motore. Quando si opera in un settore critico come l'automazione da laboratorio, è importante poter fare affidamento sull'esperienza di progettazione e sulla tecnologia giusta.