Eenvoudig te integreren robot voor laboratoriumautomatisering.

Nu laboratoria steeds meer worden geautomatiseerd, is het van groot belang dat men over robots beschikt die in staat zijn om tools te selecteren en precisiebewerkingen uit te voeren.

De markt voor laboratoriumautomatisering groeit gestaag naarmate er meer desktopsystemen op de markt komen, maar het is best lastig om functionaliteit te bieden die verder gaat dan standaard pipetteren. Toch ging Andrew Alliance deze uitdaging aan, na jarenlang marktonderzoek te hebben gedaan. Het resultaat was de Andrew+ robot voor vloeistofdosering. De meeste systemen van concurrenten kunnen alleen pipetteren, maar dit apparaat kan veel meer dankzij een groeiend aantal accessoires (zie afbeelding 1).

Afbeelding 1: De vloeistofbehandelingsrobot Andrew+ is zodanig ontwikkeld dat hij een groeiend aantal accessoires kan werken.

Andrew+ maakt deel uit van OneLab, het cloudgebaseerde ecosysteem van het bedrijf waarmee gebruikers eenvoudig en effectief laboratoriumprotocollen kunnen ontwikkelen en toepassen. Dankzij deze flexibele architectuur kunnen gebruikers moeiteloos overstappen van bewerkelijke handmatige pipetteerprocedures naar foutloze, volledig gerobotiseerde laboratoriumworkflows. Het mooiste is dat gebruikers geen ervaren programmeurs of experts in laboratoriumrobotica of automatiseringstechniek hoeven te zijn.

De basisunit van deze robot voor vloeistofbehandeling weegt slechts 35 pond, zodat hij eenvoudig op een werktafel kan worden geplaatst en op verschillende laboratoriumafdelingen voor een groot aantal taken kan worden ingezet. De robot werkt vanaf een geïntegreerd toolrack. De robot pakt en installeert de tool en voert vervolgens de toegewezen taak uit.

Andrew+ is een modulair systeem dat kan worden aangepast aan vele taken en toepassingen, waaronder sample prep voor kwaliteitscontrole, analytische chemie, verdunningsreeksen, plasmavoorbereiding, DNA-extractie, normalisatie van de concentratie en nog veel meer. Met elektronische eenkanaals- en meerkanaalspipetten levert het systeem hoge prestaties voor vloeistofverwerking en biedt het maximale flexibiliteit voor de gebruiker. Bovendien kan het apparaat al naargelang de toepassing uiteenlopende complexe experimentele stappen uitvoeren, zoals het vastpakken van buisjes.

De pipetten zijn snel en hebben een dynamisch doseervolume van 0,2 µl tot 10 ml (zie afbeelding 2). Zo kan het werken met twee volledige rijen Domino’s (geschikt voor 7 microtiterplaten, 56 Falcon-buizen of 168 microbuisjes) en heeft het een diepte van circa 60 cm (24 inch), zodat het zelfs in de kleinste zuurkasten past. Dankzij de compacte afmetingen van het apparaat kan het in een koelkast worden geplaatst en bij temperaturen tot 4 graden Celsius werken.

Afbeelding 2: De serie standaardpipetten van Andrew+ bieden een breed scala aan volumes.

Robotaansturing met drie gewrichten

Andrew Alliance koos voor drie door maxon ontwikkelde en geproduceerde platte EC45-motoren voor de robotarm: één voor de schouder, één voor de elleboog en één voor de pols. Antoine Jordan, director global operations: “De afmetingen en footprint waren erg belangrijk omdat de robot zowel compact als licht moest zijn.”

Het bedrijf heeft in het verleden vaker gebruik gemaakt van producten van maxon. Het had dus al ruimschoots ervaring met de motortechnologie voordat deze in dit nieuwe ontwerp werd geïntegreerd. Men was erg onder de indruk van de stabiliteit van de motoren en het brede productassortiment van maxon. De producten van maxon zijn compatibel met een groot aantal toepassingen, waardoor volledige flexibiliteit bij het ontwerp mogelijk was. Andrew Alliance vertrouwde erop dat in het beginstadium een minimaal aangepaste versie van de motoren voor deze toepassing zou voldoen.

Toen eenmaal de keuze op een motor was gevallen, werden de ontwerpparameters aangescherpt, waardoor uiteindelijk een uiterst nauwkeurig precisiesysteem ontstond. Omdat nauwkeurigheid zo belangrijk is in een geautomatiseerde laboratoriumrobot, heeft het ontwerp een geïntegreerde absolute encoder die wordt gebruikt voor de gesloten regelkring van het systeem. Dit zorgt ook voor de precisie die voor de uiteindelijke toepassing vereist is. Deze extreme precisie is noodzakelijk voor beide hoofdhandelingen: de nauwkeurige bewegingen bij het oppakken van de verschillende instrumenten of tools én het uitvoeren van de vereiste handelingen zodra de robot de tool heeft vastgepakt.

Afbeelding 3: De Andrew+ heeft drie platte borstelloze EC45 DC-motoren: één voor elk van de robotgewrichten.

De juiste motoren

De keuze voor de platte borstelloze EC45 DC-motoren was cruciaal voor deze toepassing (zie afbeelding 3). Naast de precisie die nodig is voor de handelingen, moeten de motoren ook snel reageren tijdens de hele bewegingsreeks. Afhankelijk van waar de robotarm zich op een bepaald moment bevindt, waren grotere koppels nodig, met name voor de zwenkbewegingen. In de systeembesturing zijn sensoren geïntegreerd die ervoor zorgen dat de arm naar de basis terugkeert zonder andere systeemcomponenten te raken.

De motoren zijn 4-polige borstelloze units die elektronisch gecommuteerd zijn, waardoor de motor extreem lang meegaat en vrijwel geen geluid produceert. Dankzij de hoogenergetische neodymiummagneten reageren de motoren razendsnel terwijl de afmetingen tot een minimum beperkt blijven. Het continue uitgangsvermogen bedraagt 200 W bij een maximaal toerental van 12.000 rpm en een maximaal continu koppel tot 265 mNm (37 oz-in), afhankelijk van de wikkeling.

De EC45-motoren die in de Andrew+ zitten, zijn iets aangepaste standaardmotoren. Aangezien maxon al over verschillende varianten van deze motor beschikte, was het voor beide teams eenvoudig om in overleg een product te selecteren dat al eerder was gebruikt en dat gemakkelijk opnieuw kon worden geconfigureerd voor deze specifieke toepassing. Nadat deze eerste motoren waren geselecteerd en in het ontwerp waren opgenomen, waren er voldoende productieaantallen beschikbaar om het project soepel te laten verlopen.

Conclusie

Medewerkers van Andrew Alliance ontdekten dat ze, door samen te werken met een vertrouwde leverancier, de juiste componenten voor hun Andrew+ laboratoriumautomatiseringsrobot konden vinden en selecteren. De EC45-motoren leveren de toerentallen, koppels en precisie die nodig zijn voor de taken van de robot. Daarnaast waren betrouwbaarheid en een lange levensduur essentiële vereisten bij de motorselectie van het bedrijf. Laboratoriumautomatisering is een kritieke bedrijfstak en expertise op het gebied van het ontwerp en juiste technologie is dan ook cruciaal.