簡易整合實驗室自動化機器人

隨著實驗室自動化的日益普及，具有合適的機器人來選取器材和執行精確操作也變得非常重要。

但即使隨著市面上推出愈來愈多的桌上型系統，促進了實驗室自動化市場持續成長，但若涉及到基本滴量移液以外的功能，仍然是一項挑戰。在匯集多年市場反饋意見之後，Andrew Alliance 接下了這個挑戰，成果是該公司的 Andrew+ 移液機器人。透過不斷增加配件種類，這個設備的功能不像其他許多競爭系統只能自動執行移液操作（見圖 1）。

圖 1：Andrew+ 移液機器人的設計可連接種類不斷增加的各種配件來執行不同工作。

Andrew+ 是公司內部 OneLab 的一部分，這是一個透過雲端連線的生態體系，可以讓使用者輕鬆有效地設計和執行實驗室協議。透過這個靈活的架構，使用者可以輕鬆地從吃力的手動移液程序轉換為零差錯的全自動化實驗室工作流程。最好的一點是，使用者不再僅限於經驗豐富的程式設計師或實驗室機器人或自動化工程專家。

這個移液機器人的基礎單元重量僅 35 磅，可以在實驗桌上便利操作，並且可以重新調用到實驗室不同位置或不同部門，以執行各式各樣的任務。機器人在一個整合式的器材架上工作。它會抓取並固定合適的作業器材，然後執行指定的功能。

Andrew+ 是一套模組化系統，可以針對各種任務和應用加以調整，包括為品管樣本製備、分析化學、連續稀釋、漿液製備、核酸萃取、濃度常態化等。系統配備單腔道和多腔道電子移液器，在確保移液過程精確的同時，仍能夠為使用者提供最大的靈活性。此外，這個設備也能夠視具體應用需求執行各種複雜的實驗步驟，例如色譜柱抓取。

移液器的分液速率和分液體積範圍為 0.2 µL～10 mL（見圖 2）。由於這套設備的目的是在大多數的實驗室工作台和生物安全室使用，因此設計上著重靈活性。設備可以處理完整兩排滴管盒（可承裝 7 個微型板或 56 個 Falcon 試管或 168 個微型試管，深度達 ~60cm/24 英寸，這甚至可以裝入最小的罩子裡。由於尺寸如此精密，因此可以將設備放在溫度低 4°C 的冷藏機裡且正常運作。

圖 2：Andrew+ 可以與各種工業標準移液器配合使用，提供多種滴量體積。

三關節機器人執行機構

Andrew Alliance 為機械臂執行機構採用三顆 maxon 設計和製造的 EC45 Flat 盤式馬達——分別用於肩部、肘部和腕部關節。據全球營運主管 Antoine Jordan 表示：「尺寸和佔用空間很重要，因為我們要保持機器人的小體積和輕量特性。」

這家公司過去已使用過 maxon 的產品，因此在將馬達整合至這個新設計之前已擁有大量的馬達技術經驗。令他們印象深刻的是馬達的穩定性和 maxon 的廣泛產品系列，能與各種應用相容，有助於他們達到這個計劃所要求的設計靈活性。Andrew Alliance 也確信，必要時他們可以根據應用需求對馬達進行最小程度的客製化調整。

一旦決定了使用哪一顆馬達，設計參數範圍就會逐漸收緊，最終他們便能夠打造出一套高度準確精密的系統。由於精確性對於自動化實驗室機器人而言非常重要，因此設計上也整合了一顆絕對式編碼器，用於系統的閉路操作。如此可以提供並維持最終應用所需的精確度。機器人的兩個主要操作尤其需要這樣的超高精確度——其一是在拾取不同器材時必須精準移動，其二則是當機器人夾具中夾有器材時必須精準執行任務。

圖 3：Andrew+ 機器人採用三顆 EC45 無刷 DC Flat 盤式馬達，每個關節各用一顆。

合適的馬達

決定採用 EC45 無刷 DC Flat 盤式馬達是該應用設計的關鍵決定之一（見圖 3）。除了對於操作精準度的要求之外，馬達還必須能在整個運動序列期間快速反應。視機械臂在任何時候的位置而定，馬達必須能提供高轉矩，尤其是針對懸臂操作。感應器與系統控制採一體化設計，以確保機械臂歸位時不會碰到任何其他系統組件。

使用的馬達採 4 極無刷電子換向設計，因此馬達使用壽命特別長且噪音量極低。高能量釹磁鐵使馬達反應非常靈敏，並且實現最小的尺寸。連續輸出功率 200 Ｗ，最大轉速為 12,000 rpm，視繞組種類而定，最大連續轉矩高達 265 mNm（37 oz-in）。

Andrew+ 所使用的 EC45 為經過輕微調整的標準馬達。由於 maxon 可以現成提供多種不同的馬達，因此兩方團隊的合作非常容易，很快地找到過去曾使用過的產品，然後針對這次的特殊應用簡單進行重新配置。一旦選定並設計了第一批馬達，就可以開始批量生產，一切都按照計劃順利進行。

結論

Andrew Alliance 認為，在與值得信賴的供應商合作時，他們能夠為他們的 Andrew+ 實驗室自動化機器人找到並選出最正確的組件。EC45 馬達為機器人提供預定執行的各種任務所需的轉速、轉矩和精準度。工作可靠和使用壽命長也是公司在選擇馬達時的關鍵要求。在例如實驗室自動化這種高要求產業中運行時，設計專業技能和合適的技術都非常重要。