机器内部:视觉引导机器人自动小瓶，注射器填充

通常用于填充小瓶，注射器和制药制造商的其他容器的机器依赖于具有硬自动化的专用机械。因此，机器通常只能灌装一种容器。当使用一个容器进行长期生产时，这是可以接受的，但当制药商需要将同一种药物包装在多种类型的容器(如小瓶、注射器和静脉注射袋)中时，这是不灵活的。其他“短期”需求包括为临床试验包装的产品、小规模生产、个性化药物。由于大多数自动化灌装系统依赖于每个容器尺寸和类型的精确定位，灌装不同的容器格式要求制造商购买多台灌装机，或者在容器类型之间切换时容忍长时间的转换。

塔科马自动化系统公司(AST)开发了一种新型的视觉柔性机器人灌装系统，该系统可以处理各种容器类型和尺寸，并且可以在大约30分钟内从一种尺寸或类型切换到另一种尺寸或类型。AST的AseptiCell中的视觉系统使机器人能够“看到”它们正在填充的药品容器，因此臂端工具可以填充和停止容器，而无需精确定位。这种机器人灌装系统的灵活性可以大大降低加工任何需要频繁更换的产品所需的成本和空间，例如临床前和临床产品，个性化药物，孤儿药，疫苗等。

常规填充的极限

在制药应用中使用的传统灌装设备允许容器尺寸的变化，但很少。例如，如果一个合同制造组织(CMO)想要灌装小瓶的能力，他们会购买一个单块式的灌装系统，该系统只能灌装多种尺寸的小瓶。CMO将无法使用相同的系统填充注射器或静脉输液袋，因此需要大量持续的资本投资来扩大其制造能力。AST应一家生命科学研究公司的要求，开发一种替代传统制药灌装机械的产品。该公司想要一台能够在一个灵活的平台上填充和完成所有小规模临床试验产品的机器。

基本概念是一个系统，该系统将一个特定容器的准备使用的“巢穴”定位在两个机器人的操作范围内。康耐视In-Sight微型视觉系统用于精确定位每个容器和塞子，并在加工前为机器人提供这些位置。这种方法允许从一种容器类型或尺寸快速切换到另一种，通过加载新的机器人程序，更换产品载体，并指示机器人更换臂端工具。该系统在所有过程接触部件上使用一次性材料，这也减少了转换时间并消除了交叉污染的风险。

视觉与机器人技术的融合

开发AseptiCell的最大挑战是将机器人和视觉系统集成在一起，以提供应用所需的高水平精度和速度。AST生命科学小组的项目工程师乔希·拉塞尔(Josh Russell)表示:“过去，我们利用机器视觉开发了许多机器。我们发现，将机器人与视觉系统集成是非常困难的。”我们希望找到一种新的方法来简化这项任务，使我们能够专注于优化机器的生产率、稳健性和灵活性。”

AST聘请了奥林巴斯控制公司的自动化工程师Brian LaFave，因为他的公司在开发视觉应用程序方面有长期的经验。拉法夫说:“我仔细研究了这个应用程序，得出的结论是，视觉系统和机器人之间的集成是关键。”Staubli TX-60 HE六轴工业机器人是AST在此应用中的首选，因为它能够承受应用所需的强力清洁和生物净化。“将视觉系统安装在机械臂上，使得视觉系统体积小、重量轻，并且布线非常简单。我觉得康耐视Micro In-Sight 1100将非常适合这项任务，”LaFave补充道。

康耐视In-Sight Micro系统配备了预先配置的驱动程序，准备使用模板，以及与大多数机器人通信的示例代码。康耐视还支持最常用的开放标准工业以太网和现场总线通信协议，可无故障连接到plc和各种自动化设备。康耐视in - sight Micro 1100在尺寸仅为30mm × 30mm × 60mm的外壳中提供640 × 480像素的分辨率。它还包括一个非线性校准工具，可以与被检测对象以45度角安装。康耐视Micro支持以太网供电(PoE)，在一根标准网线上提供电源和网络通信。

机器人灌装系统是如何工作的

AseptiCell设计用于填充和完成预灭菌的注射器，小瓶，静脉注射袋和其他即用型容器和医疗设备。这种多功能功能通过消除在灌装前对容器和瓶塞进行洗涤、去热原和灭菌所需的上游设备，节省了资金和洁净室空间。购买的容器是干净的、无菌的、可以使用的，每桶产品容器用两层无菌材料包裹。当容器被带入洁净室时，操作人员去除一层无菌层，当容器被装载到机器上时，第二层被移除。

即用型容器和塞子组件包含称为“巢”的固定装置，用于将每个容器和塞子保持在直立位置，以便填充和塞子放置。使用无菌手套端口，操作人员将巢从桶中取出，并将其放置在asppeticell材料进入区域的转盘输送机上。密封无菌处理区的门自动打开，物料进入该区域。

无菌处理区域的两个Staubli机器人包含所需的所有工具:填充容器，通过填充氮气来清除容器中的氧气以避免渗透，应用塞，并热封静脉注射袋。因此，加工任务可以通过机器人程序在两个机器人之间按需要分配。AST设计了一个内置冗余的系统，所以如果一个机器人发生故障，机器仍然可以使用功能机械臂以其全部能力的50%运行。

每个机器人移动到第一个塞子的大致位置，然后移动到待处理的容器。康耐视In-Sight Micro 1100视觉系统可获取每一种图像。精圆工具用于确定容器和塞子的精确位置，然后将位置(相对于机器人工具中心位置)报告给机器人控制器。

注射器的挑战

由于注射器塞的位置，注射器代表了最大的机器视觉挑战。在注射器内放置塞子有两种已证实的方法:机械放置和真空放置。机械塞的放置是两者中更具挑战性的，需要放置一个薄壁不锈钢吸管，与注射器筒内部同心，两者之间的间隙最小，并使用推杆将塞推过它。视觉系统精确定位容器的位置，不会刮到注射器的侧壁，更不会被吸管损坏或折断。如果需要更高的精度，康耐视的其他几种视觉系统模型可以提供1600 × 1200像素的分辨率。

机器人控制器利用视觉系统提供的每个容器和塞子的位置信息，对机器人手臂上的几个子工具进行精确定位，以便进行后续操作。对于小瓶灌装，灌装子工具将无菌药品分配到小瓶中。然后，手臂末端的另一个子工具拿起一个塞子并将其放入小瓶口。第三个子工具应用铝卷曲帽与翻转帽，密封瓶塞到小瓶。

在每个容器被填充和密封后，转盘输送机将成品索引到物料出口区域(见插图)。当容器的巢被处理时，操作人员将桶穿过物料入口区域和物料出口区域之间的屏障。在从系统中移除之前，操作员将含有成品容器的巢放回桶中。

为了从一种类型的容器转换到另一种类型的容器，操作员将机器人断电，将机器人臂端工具放置在无菌加工区域内，并在工具上进行无菌流体连接。操作人员为待灌装产品安装产品载体，并在触摸屏界面上选择合适的程序。机器人将自动更换工具，因此操作人员无需靠近机器人或无菌产品容器和塞子组件。

处理强效化合物

无菌细胞非常适合处理高活性和有效的化合物，例如用于细胞毒性癌症治疗和疫苗的化合物。AseptiCell设计保护生产人员免受暴露于活性药物成分的风险，并消除了产品污染的最大潜在来源:人类与灌装系统的接触。所有的处理操作都是在称为隔离器的密封外壳内进行的。

视觉引导的机器人灌装系统“对于任何希望提高产品和容器灌装能力的组织来说，是最简单的解决方案，而无需购买多台专用于特定产品或容器类型的机器，”罗素说。他说，在这种情况下，该解决方案适用于一个12英尺乘16英尺的洁净室，而且成本远低于它所取代的机器。

www.cognex.com

www.olympuscontrols.com

www.staubli.us

也可以从控制工程：

机器视觉使自动检测变得容易;

机器视觉资源指南来自控制工程；和

传感器新产品领域。

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-由控制工程特约编辑Renee Robbins Bassett编辑。通过rrobbins3000@comcast.net联系她。

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