두가지 모터 솔루션을 적용하여 액체 처리 워크스테이션 최적화 구현 방법

실험실 자동화는 생명과학 분야에서 많은 일상적인 절차를 자동화하는 데 중요한 역할을 한다. 액체 처리 워크스테이션은 테스트 튜브의 뚜껑을 열고 다시 닫는 작업, 액체 샘플을 정확하게 분배하는 작업, 처리된 테스트 튜브를 혼합, 교반, 운반하는 작업 등 수많은 반복적인 작업이 포함되기 때문에 훌륭한 예가 될 수 있다.

이러한 작업을 자동화하면 처리량이 증가하고, 인적 오류의 위험이 제거되며, 프로세스의 전반적인 신뢰성과 일관성이 향상된다. 이 기사에서는 자동화된 액체 처리 워크스테이션과 이러한 응용 분야에 가장 적합한 마이크로 모터에 초점을 맞출 것이다.

자동 액체 처리 프로세스의 장점
 

자동 액체 처리 프로세스는 실험실 운영에 혁명을 일으켰으며, 수많은 실질적인 이점을 제공한다. 그 중에는 다음이 포함된다.

• 인적 오류 제거: 액체 처리를 위해 전자 피펫을 사용하려면 어느 정도의 경험과 기술이 필요하다. 피펫은 분석할 액체의 점도에 따라 올바른 설정으로 사용해야만 필요한 정밀도와 정확성을 보장할 수 있다. 작업자가 점성 이 낮은 액체에 대해 피펫의 분주 속도를 너무 높게 설정하면 분주 중에 액체가 튀는 위험이 있다. 복잡한 분석을 위해 장시간에 걸쳐 피펫팅을 수행할 경우, 작업자의 집중력도 떨어질 수 있다. 이로 인해 교차 오염의 위험이 있으므로 피해야 하는 두 가지 다른 액체에 동일한 피펫 팁을 사용하는 것과 같은 비용이 많이 드는 실수를 범할 수 있다. 자동화는 이러한 인적 오류의 위험을 제거함으로써 우위를 제공한다.

• 높은 처리량: 정확한 수동 액체 처리는 일반적으로 특정 버튼을 누르면 액체를 흡인하고 분배하는 전자 피펫을 사용하여 완료된다. 전자 피펫은 단일 튜브부터 수십 개의 튜브까지 원하는 수만큼 장착할 수 있다. 다중 채널 피펫의 경우 64 개의 병렬 튜브를 사용할 수 있다. 피펫 자체가 정확한 용량을 분배하는 것을 보장하지만, 작업 속도(또는 하나의 시험 관에서 다음 시험관으로 액체 샘플을 분배하는 속도)는 주로 작업자의 능력과 속도에 달려 있다. 이 단계를 자동화하면 처리량이 증가하여, 작업자가 한 명인 경우에 비해 더 많은 샘플을 분석할 수 있다.

• 높은 재현성: 재현성은 실험실 환경에서 수행되는 분석에서 가장 중요한 요소 중 하나이다. 재현성은 정밀도와 정확도의두 가지 요소로 설명할 수 있다. 정밀도는 모든 분주 작업에서 동일한 부피가 분주된다는 것을 의미 하는 반면, 정확도는 분주된 부피가 목표한 양에 최대한 근접하게 분주된다는 것을 의미한다.

실험 결과를 재현할 수 있으려면 정밀도와 정확도 모두를 확보해야 한다. 여러 번 반복해도 일관된 결과를 얻지 못하는 분석은, 그 자체로 실제 시험 결과의 변동의 원인이 되고, 따라서 올바른 결론을 도출하는 것을 방해한다.

<그림1> 로봇 피펫팅 헤드의 예

액체 처리 과정의 전형적인 동작 축
 

액체 처리를 위한 실험실 자동화 기계는 원하는 처리량과 병렬로 분석할 액체 샘플의 수에 따라 다양한 방식으로 설계될수 있다. 예를 들어, 적은 수의 시험관을 분석할 때는 여러 개의 회전 관절과 그리퍼를 엔드 이펙터로사용하는 단일 로봇 팔로 충분할 수 있다. 그러나 더 높은 처리량과 병렬로 처리할두 개 이상의 액체 샘플을 처리하려면 직선 운동 축을 가진 직교 로봇을 기반으로 한 설계가 훨씬 더 효과적일 수 있다.

전형적인 설계는 정적 시험관을 특징으로 하며, 피펫은 X, Y, Z의 세 가지 선형 축을 사용하여 시험관 위에 위치한다. 이 기사에서는 작동 측면에서 가장 까다로운 경우가 많은 Z축에 초점을 맞출 것이다. Z축의 작동 시스템은 흡인을 위해 피펫 팁을 액체 쪽으로 이동시키고, 흡인이 성공적으로 이루어지면 다시 들어 올리는 역할을 한다. 이 동작이 빨라야 처리량이 높아지지만, 액체의 점도에 관계없이 피펫팅이 동일한 정밀도와 정확도로 이루어지도록 정밀하게 제어되어야 한다. 일반적인 피펫팅 절차는 다음과 같이 설명할 수 있다.

1. 피펫 헤드가 액체 용기를 향해 빠른 속도로 내려간다. 액추 에이션 시스템은 빠른 동작을 가능하게 하기 위해 높은 가속 토크를 제공할 뿐만 아니라 높은 속도에 도달해야 한다.

2. 일단 피펫 헤드가 액체 용기의 채울 수 있는 수준에 가까워 지면, 피펫 헤드의 속도를 늦추고 천천히 액체에 접근해야 한다. 액체 표면이 감지되는 동안, 예를 들어 정전용량 센서를 통해 감지되는 동안에는 느리고 정확한 움직임이 필요하다.

3. 일단 액체 표면이 감지되면, 피펫 헤드는 액체 표면 아래의 정의된 수준에 위치하여 흡인을 시작한다. 흡인하는 동안, 액체 표면 아래의 동일한 위치 수준을 유지하기 위해 용기의 기하학적 구조에 따라 피펫 헤드의 위치가 지속적으로 조정된다.

4. 필요한 액체 부피를 흡인한 후, 운반을 위해 소량의 공기가 흡인되고, 피펫 헤드가 액체 용기에서 후퇴하여 원하는 위치에 액체를 분배한다.

요약하면, 피펫 헤드를 위치시키는 작업은 정확한 위치 설정이 필요할 때는 느리고 정밀한 움직임이 필요할 뿐 아니라, 피펫 헤드를 내리거나 집어넣을 때는 높은 가속도와 속도가 필요하다.

피펫 헤드용 브러시리스 DC 모터
 

피펫 헤드는 사용 가능한 공간이 제한되어 있고 매우 역동적인 동작이 필요하기 때문에, 브러시리스 DC 모터가 이 용도에 이상적이다. 이 모터의 높은 출력 밀도는 사용 가능한 크기 내에서 최대의 성능을 발휘할 수 있게 해준다.

두 가지 전형적인 설계는 모터의 다른 폼 팩터를 가능하게 한다. 내부 로터는 일반적으로 더 긴 모터 길이로 보상되는 작은 직경을 제공하는 반면, 외부 로터 설계는 더 높은 모터 직경을 가진 평평한 솔루션이 필요한 경우에 이상적인 옵션이다. 또한, 정확한 위치 결정을 위해 인코더를 추가로 장착할 수 있다.

로봇 피펫의 Z축 작동

애플리케이션 개요

피펫팅 헤드의 Z축 이동을 위해 모터가 필요한 예를 살펴보자. 최대 4개의 피펫팅 헤드가 나란히 배치되어 최대 4개의 시험관을 동시에 처리한다. 동적 특성 외에도, 모터의 폼 팩터가 매우 중요하다. 왜냐하면 제한된 공간 때문에 큰 모터를 사용할 수 없기 때문이다. 정확한 위치 결정을 위해 모터에 인코더를 사용해야 한다. 다음과 같은 요구 사항을 예로 들어 보겠다.

• 전체 직경이 20mm 미만

• 피펫팅 중 최대 부하 토크가 최대 2mNm

• 빠른 피펫팅을 위해서는 모터의 가속도가 가능한 한 높아야 한다.

최대 모터 직경이 20mm라고 가정할 때, 다음과 같은 마이크로 모터를 고려할 수 있다.

<표1> 16ECP24와 20ECF14의 비교

모터 기술 비교
 

슬롯리스 내부 로터 2극 설계를 기반으로 하는 16ECP24는 슬롯이 있는 외부 로터 설계인 20ECF14보다 훨씬 더 빠른 속도를 낼 수 있다. 이것은 Z축의 선형 운동이 응용 프로그램에서 어떻게 구현되는지에 따라 장점이 될 수 있다.

일반적인 솔루션에는 리드 스크류 또는 볼 스크류가 포함되지만, 이것들은 종종 10000RPM 이하의 속도로 제한된다. 또한, 피펫팅 작업 중에는 시험관 간 이동에 필요한 직선 이동 거리가 짧다. 가속도에 따라서는 모터가 더 높은 속도 수준에 도달할 시간이 충분하지 않을 수 있다. 즉, 슬롯리스 내부 로터 설계의 장점을 항상 활용할 수 있는 것은 아니다.

모터 성능 비교

구동 시스템의 역학에 있어 가장 중요한 것은 모터의 가속 능력이다. 이 능력은 모터의 로터 관성, 가속에 사용할 수 있는 최대 모터 토크, 모터에 연결된 부하 관성과 같은 요소에 따라 달라진다. 모터에 연결된 리드 스크류 또는 볼 스크류를 고려할 때, 사용 가능한 모터 토크와 속도에 따라 다른 리드를 선택할 수 있다. 그러나 리드는 스크류의 관성에 큰 영향을 미치지 않는다. 따라서 가속 능력은 주로 로터 관성과 가속을 위한 가용 모터 토크 에 따라 달라진다.

20ECF14는 외부 로터 설계를 기반으로 하고 있다. 따라서 로터와 전체적으로 움직이는 질량은 16ECP24의 내부 로터 설계보다 훨씬 더 높은 관성을 갖는다.

이와 반대로 20ECF14의 다극 외부 로터 디자인은 더 큰 직경 과 결합되어 훨씬 낮은 모터 조절 계수를 제공한다. 그 결과, 가속을 위해 더 높은 피크 토크를 개발할 수 있는 잠재력을 지닌 더 효율적이고 강력한 모터가 탄생한다. 모터는 이 피크 토크로 인해 발생하는 열을 방출할 수 있어야 한다. 즉, 모터의 열 저항, 즉 모터의 전력 손실량에 따른 모터의 온도 상승을 나타내는 값도 중요하다는 의미이다.

로터 관성, 모터 조절 계수, 열 저항이라는 세 가지 요소를 모두 고려하여 두 모터의 총 장점 계수를 곱하여 비교해 보겠다. 세 가지 요소는 모두 가능한 한 낮아야 한다.

<표2> 16ECP24와 20ECF14의 성능 비교

위의 데이터를 보면, 선택된 세 가지 비교 요소를 기준으로 볼때 두 모터는 실제로 비슷한 수준이다. 20ECF14의 훨씬 더 높은 회전자 관성은 훨씬 더 낮은 모터 조절 계수로 인해 크게 보상되며, 따라서 토크 용량이 더 높다. 낮은 열 저항과 그에 따른 더 나은 열 방출은 가속을 위한 높은 피크 토크가 필요할때 추가적인 이점을 제공할 수 있다.

모터 통합 비교
 

이 응용 프로그램에는 정확한 위치 지정이 필요하기 때문에, 모터의 인코더는 정확한 위치 지정과 피드백을 보장하는 데있어 매우 중요한 선택이다. 여기서 16ECP24는 인코더 옵션을 쉽게 사용할 수 있고 모터의 설계에 따라 추가하기 쉽다는 점에서 우위를 점한다. 20ECF14와 같은 모터 설계의 경우, 인코더 옵션은 일반적으로 공간이 제한되어 있고 더 많은 엔지니어링 노력이 필요한 기존 모터 PCB에 통합되어야 한다.

파이펫팅 기계의 개발 일정에 따라, 즉시 사용 가능한 솔루션을 선택하면 개발 속도를 높이고 더 많은 디자인 반복을 할 수 있다. 16ECP24의 작은 직경도 중요한 장점이 될 것이다. 직경 측면에서 사용 가능한 공간이 모터 의 허용 가능한 길이보다 훨씬 더 제한적이기 때문이다.

<그림2> M-센스를 포함한 자기 인코더의 피드백은 투여의 정확성을 보장하는 데 필수적이다.

결론
 

이 기사에서는 로봇 피펫의 Z축을 구동하는 데 사용할 수 있는 두 가지 모터 솔루션인 16ECP24 브러시리스 슬롯리스 DC 모터와 20ECF14 브러시리스 슬롯 플랫 모터에 대해 살펴보았다.

기술에 따라 모터의 폼 팩터와 성능이 달라질 수 있으며, 개별 모터의 성능 매개변수도 달라질 수 있다. 그러나 이상적인 솔루션을 결정하려면 여러 요소를 조합하여 비교해야 한다. 이때 경험이 풍부한 모션 공급업체가 올바른 솔루션을 선택하고 최적화하는 데 필요한 경험과 지침을 제공함으로써 가치를 더할 수 있다. 최적화된 모션 솔루션만이 액체 처리 기계의 처리량과 신뢰성을 극대화할 수 있다.

자료제공: Portescap(www.portescap.com)