V súčasnosti už existuje viacero komerčne dostupných robotických systémov pre laboratóriá, ktoré automatizujú veľkú časť procedúr. Robotické manipulátory majú väčšinou za úlohu premiestňovanie predmetov – platní so vzorkami, pri testovaní a objavovaní nových liekov.

Nasadzovanie robotov do laboratórneho prostredia sa datuje do osemdesiatych rokov dvadsiateho storočia. Prvým produktom na laboratórne použitie bol laboratórny automatický systém Zymate z roku 1982. Vytvorila ho spoločnosť Zymark, ktorá vznikla špecificky s cieľom automatizácie laboratórií len rok predtým. Od časopisu Forbes si vtedy tento systém vyslúžil prezývku jednoruký chemik. V tom čase bolo v Japonsku založené nové laboratórium, za ktorým stál Dr. Masahide Sasaki a jeho výskumný tím. Celému svetu vtedy ukázali, ako by mohlo vyzerať klinické laboratórium budúcnosti. Roboty tu prenášali stojany so skúmavkami, dopravníkové pásy roznášali biologické vzorky na určené stanovištia a automatické pipetory nasávali tekutiny zo vzoriek na potrebné testy. Práve potreby farmaceutického priemyslu sa teda stali hlavným dôvodom automatizácie laboratórií [1].

Väčšina laboratórnych procedúr sa dá rozdeliť na tri základné kroky. Ide o prípravu vzoriek na testovanie, samotné testovanie vzoriek a zber získaných údajov. Príchod počítačov zlepšil nielen presnosť testovania, ale umožnil aj analýzu komplexných dát. Spolu s podstatným zlepšením manažmentu zberu údajov sa tak najslabším článkom laboratórnych úloh stala príprava vzoriek. Práve potreba zrýchlenia tejto operácie bola jedným z hlavných dôvodov zautomatizovania laboratórnych procedúr [2]. Automatizácia však priniesla aj rad ďalších výhod. Určité manipulačné úkony vyžadujú podstatne väčšiu presnosť, akej je schopný človek. Nasadenie robotov odstránilo nielen tento problém, ale eliminovalo aj hrozbu kontaminácie vzoriek. Tiež sa minimalizovalo riziko ohrozenia zdravia ľudských operátorov pri manipulácii s nebezpečnými materiálmi. V neposlednom rade však išlo o nezáživné a stereotypné úlohy. Ich automatizáciou sa mohol človek odbremeniť a sústrediť tak svoju pozornosť na riešenie komplexnejších úloh. Súčasne sa odstránilo aj riziko vzniku chýb, ktorých by sa mohol pri svojej činnosti človek ľahko dopustiť [2]. Nevýhodou automatizácie sú najmä vysoké počiatočné náklady. S rýchlym rozvojom robotiky však ceny postupne klesajú a dostupnosť automatických systémov narastá.

Automatizáciou laboratórií sa do nich začali dostávať nielen vysoko špecializované zariadenia, ale aj roboty pôvodne určené na priemyselné použitie. Tento vývoj bol veľmi prirodzený, keďže množstvo laboratórnych procedúr zahŕňa opakujúce sa pohyby vhodné na automatizáciu. Konkrétne je to napríklad klasické premiestňovanie predmetov, zmiešavanie kvapalných či tuhých látok alebo triedenie. Spomínané zrýchlenie prípravy vzoriek na testovanie a zautomatizovanie celého procesu viedlo k vyčleneniu novej vednej disciplíny známej ako HTS – testovanie s vysokou priepustnosťou (angl. High Throughput Screening). Ide o experimentálnu metódu, ktorá sa využíva pri objavovaní nových liečiv. V súčasnosti existujú systémy schopné testovať a analyzovať 100 000 zlúčenín denne, čo skrátilo proces objavovania nových liečiv z rádovo rokov na niekoľko mesiacov. Pri obrovskom počte chorôb, ktoré sa dnes vyskytujú, to znamená veľký krok vpred. Medzi takéto systémy patrí napríklad Cell:Explorer od spoločnosti Perkin Elmer (obr. 1), ktorý využíva antropomorfné robotické rameno na prekladanie platní so vzorkami z jedného testovacieho modulu do druhého.

Podobne aj HTS systém od SSI Robotics má pre svoje potreby prispôsobený priemyselný manipulátor na vertikálnu manipuláciu s predmetmi. Navyše je celý systém uzatvorený v sterilnej miestnosti a po spustení je schopný pracovať bez zásahu človeka približne 24 hodín. V roku 2008 vznikla v USA iniciatíva s cieľom testovania toxicity v bežných zlúčeninách, ako sú pesticídy či liečivá. Tento program dostal názov Tox21 a pozostáva z viacerých periférií a pracovných staníc, ktoré sú usporiadané okolo robotického ramena od spoločnosti Stäubli [3].

Množstvo laboratórnych procedúr vyžaduje veľmi citlivú manipuláciu s predmetmi a vysokú presnosť polohovania. Rozlíšenie, presnosť a opakovateľnosť polohovania sú dôležité charakteristiky robota z hľadiska jeho manipulačných schopností. Rozlíšenie robota je hodnota najmenšieho posunu koncového bodu robota pri pohybe, resp. najmenšia hodnota, akú je snímač v spätnej väzbe schopný zachytiť. Závisí od každého kĺbu robota a od nepresnosti pohybu spôsobenej mechanickou a dynamickou interakciou robota s prostredím. Presnosť robota hovorí o jeho schopnosti dosiahnuť svojím koncovým efektorom žiadaný bod. V podstate ide o polovicu vzdialenosti medzi dvoma dosiahnuteľnými bodmi, ktoré sú dané rozlíšením manipulátora. Jej zlepšenie sa dá obyčajne dosiahnuť kalibráciou robota. Opakovateľnosť má štatistický charakter úzko spojený s presnosťou. Ak robot koná dokola ten istý pohyb pri rovnakých podmienkach, žiadaný bod dosiahne vždy s určitou odchýlkou oproti predchádzajúcemu pokusu. Opakovateľnosť je teda schopnosť robota dosiahnuť to isté miesto v priestore, jej výsledná hodnota je priemer všetkých odchýlok od žiadaného bodu [6]. Presnosť a opakovateľnosť sú názorne ilustrované na obr. 2.

Špecifikácia aplikácie a pracoviska

Na pôde Fakulty elektrotechniky a informatiky STU v Bratislave sa mladí vedci z Ústavu elektroniky a fotoniky venujú príprave diamantových vrstiev. Hlavnou náplňou ich činnosti je vývoj technológie na čistenie vôd pomocou diamantových elektród. Pri čistení odpadových, povrchových aj podzemných vôd využívajú tenké vrstvy bórom dopovaného diamantu vyrobené chemickou depozíciou z plynov vo vákuu. Tie po pripojení elektrickej energie dokážu produkovať veľmi silné oxidanty schopné odstrániť z vody aj mimoriadne odolné a nebezpečné typy mikropolutantov, akými sú napríklad použité liečivá, drogy, pesticídy alebo baktérie rezistentné voči antibiotikám. Na testovanie tejto technológie je potrebný automatizovaný systém na odoberanie vzoriek čistenej vody. Systém by mal pozostávať z robotického manipulátora schopného odobrať prázdnu skúmavku zo stojana, umiestniť ju na špecifikované miesto, uchopiť uzáver a uzatvoriť skúmavku. Tá je medzičasom naplnená vzorkou vody určenou na testovanie, o čo sa stará ďalšie zariadenie. Na záver robot umiestni skúmavku späť do stojana.

Aplikácia je zameraná na uchopovanie predmetov robotickým manipulátorom, ich prenášanie a vkladanie do stojanov a bezkolízne manévrovanie v prostredí laboratória. Na tieto úlohy je vhodné použiť inteligentný manipulátor so silovo-momentovým senzorom. Ako riešenie poskytla firma SCHUNK Intec, s. r. o., robotické rameno LWA 4P (obr. 3) s tromi vysoko integrovanými modulmi ERB Powerball a celkovo šiestimi stupňami voľnosti. Každý modul ERB kombinuje pohyb v dvoch osiach. Rameno vyniká pomerom svojej hmotnosti a hmotnosti nákladu, keď pri svojej celkovej hmotnosti 15 kg dokáže uniesť predmety až do hmotnosti 6 kg, čo je takmer polovica jeho hmotnosti. O pohon sa starajú bezkefové servomotory s brzdami s permanentnými magnetmi. Polohovú spätnú väzbu zabezpečujú pseudoabsolútne snímače polohy. Ďalšou prednosťou tohto ramena je integrovanie všetkej potrebnej kabeláže do tela robota. Rovnako sa tu nachádza aj riadiaca a regulačná elektronika, čím odpadá potreba bežnej externej skrinky. Rameno je navyše optimalizované na nízku spotrebu, keď na jeho napájanie stačí 24 V s priemerným prúdovým odberom na úrovni 3 A (max. 12 A). Natočenie piatich kĺbov je možné v rozsahu ±170°, v poradí tretí kĺb je obmedzený na ±155,5°. Všetky kĺby dosahujú pri pohybe maximálnu rýchlosť 72°/s. Rozmery ramena mu umožňujú celkový dosah 610 mm, výrobca deklaruje presnosť na úrovni 0,15 mm a opakovateľnosť s hodnotou 0,06 mm.

Koncovým efektorom ramena je paralelné dvojprstové chápadlo WSG 50 (obr. 4) s integrovaným silovým senzorom, ktorý mu umožňuje reguláciu vyvíjanej sily na predmet. Maximálna šírka úchopu definovaná vzdialenosťou prstov chápadla je 110 mm. Chápadlo je schopné vyvinúť silu 5 až 80 N a jeho prsty sa dokážu posúvať rýchlosťou až 420 mm/s pri maximálnom zrýchlení 5 000 mm/s2. Prsty majú zabudovaný vlastný silový senzor a po ich upevnení k chápadlu sú automaticky zaradené do riadiaceho cyklu. Toto zapojenie dosahuje vyššiu presnosť vyvíjanej sily na predmet, keďže spätná silová väzba pochádza priamo z miesta uchopenia predmetu. Presnosť polohovania chápadla stanovil výrobca na 0,013 mm.

Tvar štandardne dodávaných prstov chápadla, resp. ich uchopovacia časť, je na využitie v aplikácii nevyhovujúci. Uzáver skúmavky kruhového tvaru by síce bolo možné uchopiť, no toto uchopenie by nebolo stabilné pri vykonávaní potrebných operácií, ako je napríklad zavretie uzáveru či uloženie skúmavky do stojana. Preto bolo potrebné zväčšiť styčnú plochu medzi prstami a uzáverom a zamedziť posun uzáveru v smere nahor pri pôsobení sily zospodu. Modifikovaný model bol vytlačený 3D tlačiarňou a nainštalovaný na oba prsty chápadla (obr. 5).

Pred koncový efektor bol zapojený šesťosový silovo-momentový senzor FTS-LWA (obr. 6) určený pre manipulátory radu LWA od spoločnosti SCHUNK. Senzor umožňuje merať silu pôsobiacu na koncový efektor v osiach x, y a z do veľkosti ±300 N. Rovnako sú v týchto troch osiach merané aj silové momenty, a to do maximálnej veľkosti ±15 Nm.

Pracovisko obsahuje dva stojany na skúmavky – jeden na prázdne, ktoré vstupujú do pracovného cyklu aplikácie, a jeden na uzatvorené skúmavky naplnené tekutinou určenou na testovanie. Oba stojany pozostávajú z podstavy, z ktorej stúpajú štyri kolíky, a platne umiestnenej na ich vrchu. Táto platňa má kruhové výrezy s priemerom 29,5 mm v mriežke 3 x 4. Keďže má skúmavka kónický tvar (smerom nadol sa zužuje), pri jej zasúvaní do stojana je rezerva 2 mm v priemere, ktorá sa postupne so zasúvaním zmenšuje, až sa úplne stratí, čím sa dosiahne jej stabilné (nepohyblivé) upevnenie v stojane. Stojany (obr. 7) sú vyrobené z tvrdého plastu a sú zhotovené tak, aby mali istú malú mieru voľnosti v pohybe do strán. Tým sa eliminujú komplikácie pri nepresnostiach polohovania robota, keď sa pri uchopení skúmavky – v prípade, že sa skúmavka nenachádza presne v strede prstov chápadla – stojan mierne vykriví a po odobratí skúmavky opäť vráti do pôvodného stavu.

Uzávery na skúmavky sa nachádzajú v zásobníku umiestnenom nad pracoviskom. Ten je prichytený na stojane, ktorý sa nachádza v bezprostrednej blízkosti robota, takže ho treba zohľadniť pri plánovaní pohybu robota. Zásobník je valcového tvaru s uzávermi orientovanými dolu hlavou naskladanými na sebe v stĺpci vnútri valca tak, ako je to zobrazené na obr. 8. Spodný uzáver – určený na odobratie – sa nachádza mimo tela zásobníka. Jeho vypadnutiu bráni tenká tyčinka na spodnom konci zásobníka a tiaž ostatných uzáverov, ktoré sú umiestnené nad ním. Vybratie uzávera po jeho uchopení prstami chápadla je možné len v horizontálnom smere tyčinky. Po odobratí uzáveru sa ostatné posunú nadol, čím sa na odobratie pripraví ďalší uzáver. Tento systém umožňuje zadanie jednej pevnej pozície pre všetky uzávery.

Samotné uzatvorenie skúmavky prebieha na vyhradenom mieste. Tým je malá štvorcová podložka s lievikom, ktorý zabezpečuje zvedenie a uloženie skúmavky na korektnú pozíciu aj pri jej malom vychýlení v prstoch chápadla. Pri uzatváraní je potrebné ukotvenie skúmavky v nepohyblivej polohe – v opačnom prípade by sa pri istej miere pôsobiaceho momentu sily, preneseného od otáčaného uzáveru, začala na mieste okolo svojej zvislej osi točiť aj samotná skúmavka. Najjednoduchším riešením, pri ktorom netreba použiť ďalšie uchopovacie zariadenie, sa ukázalo modifikovanie skúmavky tak, ako je zobrazené na obr. 8 vpravo dole. Štyri malé zárezy s odstupmi 90° sa pri točení skúmavky dostanú nad štyri výstupky v podložke a pôsobením sily smerom nadol od manipulátora dôjde k zapadnutiu skúmavky a jej zafixovaniu do pevnej polohy.

Na riadiacom počítači je nainštalovaný linuxový operačný systém Ubuntu 16.04 s ROS-om vo verzii Kinetic Kame. Manipulátor LWA 4P je plne podporovaný na riadenie pod ROS-om. Ovládač so všetkými konfiguračnými súbormi možno stiahnuť z github stránky výrobcu.

Literatúra

[1] BOYD, J. 2002. Robotic Laboratory Automation. In: Science, 2002, Vol. 295, No. 5554, pp. 517 – 518. ISSN 0036-8075.

[2] GWYNNE, P. – HEEBNER, G. 2013. Laboratory Technology Trends: Advances in Lab Instrumentation. [online]. In: Science, 2013., Citované 3. 1. 2018. Dostupné na: <http://www.sciencemag.org/site/products/labl.xhtml>. ISSN 1095-9203

[3] Image Areacell::explorerTurnkey Automation for High Content and Cellular Screening. [online]. Dostupné na: https://www.perkinelmer.com/Content/RelatedMaterials/Brochures/BRO_CellExplorererHighContentCellScreening.pdf.

Poďakovanie

Táto práca vznikla s finančnou podporou Agentúry na podporu výskumu a vývoja (APVV-17-0214, APVV-16-0006, APVV-16-0124) a DIH2 (A Network of Robotics DIHs for Agile Production).

V druhej časti seriálu sa budeme zaoberať navrhnutými algoritmami riadenia a ich overením.

Patrik Bakyta
František Duchoň
Marian Vojs
Ľuboš Chovanec
Andrej Babinec
Národné centrum robotiky o.z.
www.nacero.sk