上肢康復(fù)機(jī)器人輻射發(fā)射試驗(yàn)的整改方案*

樂 珺，郭鳳仙，胡 鑫

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

隨著科技的發(fā)展與生物電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，醫(yī)療器械的工作頻段在不斷擴(kuò)大。現(xiàn)代醫(yī)院中的電磁環(huán)境變得越來越復(fù)雜，對(duì)外輻射的電磁能量也在不斷增強(qiáng)[1]，醫(yī)療器械對(duì)電磁兼容性的嚴(yán)格要求，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致在后期整改中耗費(fèi)大量的時(shí)間和資金。

在醫(yī)療器械的電磁兼容性測(cè)試項(xiàng)目中，輻射發(fā)射超標(biāo)的例子屢見不鮮，這就需要對(duì)頻譜-峰值圖進(jìn)行分析并整改[2-3]，必要時(shí)還需通過近場(chǎng)探頭加接收機(jī)或示波器，綜合運(yùn)用近場(chǎng)測(cè)試及輻射遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試，尋找輻射源。筆者基于上肢康復(fù)機(jī)器人輻射發(fā)射超標(biāo)案例的整改實(shí)例，研究抑制輻射發(fā)射的方案。

1 輻射發(fā)射測(cè)試原理

輻射發(fā)射測(cè)試的實(shí)質(zhì)是測(cè)試設(shè)備中兩種等效天線所產(chǎn)生的輻射信號(hào)。

第一種是信號(hào)環(huán)路。環(huán)路是一種可以產(chǎn)生輻射的等效天線，輻射源是環(huán)路中流動(dòng)的電流信號(hào)，任何交變信號(hào)所在的環(huán)路都會(huì)產(chǎn)生輻射，輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度與環(huán)路面積有關(guān)。一個(gè)環(huán)路面積為S、電流強(qiáng)度為I、頻率為F的信號(hào)，距離另一個(gè)環(huán)路D所產(chǎn)生輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度為：

E=1.3SIF2/D

(1)

第二種是單極天線，或?qū)ΨQ偶極子天線。被等效成單級(jí)天線或?qū)ΨQ偶極子天線的導(dǎo)體通常是產(chǎn)品中的電纜或其它尺寸較長(zhǎng)的導(dǎo)體。干擾源是電纜或其它尺寸較長(zhǎng)的導(dǎo)體中的共模電流信號(hào)，通常不是電纜或長(zhǎng)尺寸導(dǎo)體中的有用信號(hào)，而是一種寄生的無用信號(hào)，研究這種產(chǎn)生共模輻射的共模電流大小是研究輻射發(fā)射問題的重點(diǎn)。如果在天線上流動(dòng)著電流強(qiáng)度I、頻率為F(F≥30MHz)的信號(hào)，那么在距離天線D(D≥1m)處所產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度為：

(2)

式中：L為電纜長(zhǎng)度；λ為干擾源信號(hào)的波長(zhǎng)[4]。

2 上肢康復(fù)機(jī)器人輻射發(fā)射測(cè)試方法

2.1 引用標(biāo)準(zhǔn)

目前，我國對(duì)于醫(yī)療器械設(shè)備的電磁兼容測(cè)試采用的國家標(biāo)準(zhǔn)是GB 4824—2013《工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)射頻設(shè)備 騷擾特性 限值和測(cè)量方法》、GB/T 17626.6—2008《電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度》，分別對(duì)應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)是IEC/CISPR 11：2010和IEC 61000-4-6：2006。歐洲目前對(duì)于醫(yī)療電氣設(shè)備采用的最新標(biāo)準(zhǔn)是IEC 60601-1-2：2014，國內(nèi)由國家食品藥品監(jiān)督管理局在2005年4月5日頒布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY 0505—2005《醫(yī)用電氣設(shè)備 第1-2部分：安全通用要求 并列標(biāo)準(zhǔn)：電磁兼容 要求和試驗(yàn)》，于2007年4月1日起強(qiáng)制執(zhí)行，要求醫(yī)療器械應(yīng)符合電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)要求。YY 0505—2012《醫(yī)用電氣設(shè)備 第1-2部分：安全通用要求 并列標(biāo)準(zhǔn)：電磁兼容 要求和試驗(yàn)》自2014年1月1日起開始實(shí)施。

表1為GB 4824—2013中規(guī)定測(cè)量的 30MHz～1000MHz頻率范圍內(nèi)的輻射發(fā)射場(chǎng)強(qiáng)限值。低于30MHz頻段的限值是指電磁輻射干擾的磁場(chǎng)分量，30MHz～1000MHz頻段的限值是指電磁輻射干擾的電場(chǎng)分量，1GHz頻段以上的限值是指電磁輻射干擾的功率。要求在設(shè)備輻射量最大的情況下測(cè)試的準(zhǔn)峰值低于限值，這樣即可判定為合格。

表1 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)輻射發(fā)射限值的規(guī)定

2.2 測(cè)試要求

上肢康復(fù)機(jī)器人共有三種工作模式。

(1) 主動(dòng)訓(xùn)練?；颊咝杩朔陨淼闹亓ψ鲇?xùn)練，根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景完成一定的任務(wù)。

(2) 被動(dòng)訓(xùn)練，示教模式?；颊叩淖陨碇亓τ蓹C(jī)器輔助，操作人員決定運(yùn)動(dòng)軌跡。操作人員先帶動(dòng)患者的手臂做一遍完整的康復(fù)訓(xùn)練，然后機(jī)器復(fù)現(xiàn)理療師的操作。

(3) 助力訓(xùn)練。系統(tǒng)補(bǔ)償機(jī)器的重力和患者的部分重力，補(bǔ)償值可由理療師設(shè)定，根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景完成一定的任務(wù)。

按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，受試設(shè)備的輻射干擾測(cè)試應(yīng)在運(yùn)行模式能產(chǎn)生最大輻射干擾的狀態(tài)下，按照設(shè)備規(guī)定的正常運(yùn)行條件進(jìn)行，運(yùn)行的持續(xù)時(shí)間要足夠長(zhǎng)于測(cè)試持續(xù)時(shí)間[5]。試驗(yàn)中選擇被動(dòng)訓(xùn)練模式中電機(jī)運(yùn)行速度最快、肩肘部運(yùn)動(dòng)范圍最大的狀態(tài)。

3 輻射發(fā)射試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于30MHz～1000MHz的電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量，使用復(fù)合對(duì)數(shù)周期天線，接收天線在1～4m高度變化，天線在水平和豎直極化方向上進(jìn)行測(cè)量，轉(zhuǎn)臺(tái)在所有角度旋轉(zhuǎn)，以便在每個(gè)測(cè)量頻段點(diǎn)記錄最大值。如圖1所示，測(cè)試中發(fā)現(xiàn)設(shè)備正常工作狀態(tài)時(shí)，會(huì)在不同頻段內(nèi)輻射發(fā)射超A類設(shè)備規(guī)定準(zhǔn)峰值，產(chǎn)品在低頻段30MHz～75MHz、高頻段100MHz～200MHz之間都有不同程度的超標(biāo)，此處只列舉結(jié)果較差的豎直方向。

3.2 低頻段整改方案

整改方案從上肢康復(fù)機(jī)器人的工作原理出發(fā)，逐一斷開各模塊的通信，通過對(duì)比頻譜-準(zhǔn)峰值圖，確定干擾源。圖2為斷開肩肘部絕對(duì)式編碼器后的測(cè)試結(jié)果，可以看出絕對(duì)式編碼器與驅(qū)動(dòng)器的通信斷開后，低頻段的毛刺信號(hào)消失，判斷低頻段毛刺來源于絕對(duì)式編碼器頻率為4MHz的時(shí)鐘信號(hào)，因?yàn)槌瑯?biāo)點(diǎn)大部分為4MHz的倍頻點(diǎn)。

在上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)中，絕對(duì)式編碼器的時(shí)鐘信號(hào)由驅(qū)動(dòng)器發(fā)出，因此針對(duì)低頻段絕對(duì)式編碼器時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生的尖峰毛刺，需要從驅(qū)動(dòng)器的時(shí)鐘信號(hào)輸出端，即源頭端解決。整改方案為靠近驅(qū)動(dòng)器時(shí)鐘信號(hào)發(fā)射端串聯(lián)220Ω的平滑曲線磁珠，對(duì)時(shí)鐘擴(kuò)頻技術(shù)是將某固定頻率通過另一頻率以頻率調(diào)制的方式進(jìn)行擴(kuò)展，其特征之一是載波的帶寬比調(diào)制頻率的帶寬要寬得多[6-7]。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的30MHz～1000MHz輻射發(fā)射采用120kHz中頻頻寬，因此選用擴(kuò)頻芯片SM560，通過 120kHz 的十倍頻1MHz對(duì)時(shí)鐘頻率進(jìn)行調(diào)頻。這種方式通過分散頻譜的能量來解決某一固定頻段輻射超標(biāo)的問題，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

頻率/MHz準(zhǔn)峰值/dB39．946．243．951．747．942．6143．543．6180．140．6

圖1上肢康復(fù)機(jī)器人整改前豎直方向輻射發(fā)射

頻率/MHz準(zhǔn)峰值/dB135．837．5139．736．3171．741．7179．340．2209．135．4

圖2絕對(duì)式編碼器斷開后豎直方向輻射發(fā)射

地增加22pF電容，且在時(shí)鐘信號(hào)端增加擴(kuò)頻集成芯片，抑制時(shí)鐘信號(hào)的諧波，如圖3所示。

圖3 低頻段輻射發(fā)射整改方案

由圖4可以看出，磁珠及擴(kuò)展集成芯片對(duì)絕對(duì)式編碼器低頻段時(shí)鐘信號(hào)的毛刺信號(hào)起到了很好的抑制作用，部分頻段縮小輻射發(fā)射值達(dá) 10dB，且該方案僅針對(duì)驅(qū)動(dòng)器硬件電路做了修改，改動(dòng)工作量小，適宜量產(chǎn)，是一種可行的解決方案。

3.3 高頻段整改方案

由圖2可知，低頻段毛刺信號(hào)消失后，高頻段集中在130MHz～200MHz的超標(biāo)依然存在。研究表明，電子設(shè)備中主要的電磁輻射源是大電流、高電壓的強(qiáng)功率電路和器件，電壓或電流快速變化的電路和器件，以及高頻電路和器件[8-9]。結(jié)合近場(chǎng)探頭加接收機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，斷開動(dòng)力線后，高頻干擾明顯降低，將驅(qū)動(dòng)器動(dòng)力線作為主要懷疑的輻射干擾源。

頻率/MHz準(zhǔn)峰值/dB31．936．434．935．239．939．4133．834．5138．437．2141．438．7

圖4低頻段整改后測(cè)試結(jié)果

研究上肢康復(fù)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器動(dòng)力線部分，從電磁兼容性的角度分析，存在如下缺點(diǎn)。

(1) 驅(qū)動(dòng)器外殼材料僅為單面金屬，其余外表面為塑料外殼，導(dǎo)致電磁泄漏。

(2) 傳感器、動(dòng)力線的線束過長(zhǎng)，尤其是肘部模塊的信號(hào)線需從肘部沿著手臂繞過肩部，回到電氣箱。

(3) 傳感器的弱電流信號(hào)線與動(dòng)力線的強(qiáng)電流信號(hào)線繞在一起，且線束暴露在外，造成較大的耦合干擾。

(4) 肩肘部的U、V、W三相動(dòng)力線分別用一根3芯帶屏蔽層的線接至驅(qū)動(dòng)器硬件電路模塊后再單端接地，沒有做到360°環(huán)接。

綜合以上幾點(diǎn)，制定如圖5所示整改方案。原理上在動(dòng)力線束上安裝濾波器，可以吸收或旁路部分高頻傳導(dǎo)干擾，從而降低輻射干擾。但是考慮到動(dòng)力線電流較大，相應(yīng)的濾波器尺寸也會(huì)較大[10-11]，電氣箱內(nèi)無安裝空間，因此決定在不破壞整體線束的基礎(chǔ)上，在動(dòng)力線進(jìn)出位置安裝納米晶材料、錳鋅材料吸收磁環(huán)，用于減小共模干擾電流。

圖5 高頻段輻射發(fā)射整改方案

通過增加高速光耦，增大動(dòng)力線的屏蔽層密度，在減小共模干擾的同時(shí)，吸收部分差模干擾，減小電流回路的面積。走線時(shí)注意動(dòng)力線線束與弱電信號(hào)線分開，同時(shí)保證動(dòng)力線屏蔽層與驅(qū)動(dòng)器硬件電路模塊的接插件連接處360°環(huán)接。整改后的測(cè)試結(jié)果如圖6所示，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

此次整改，因考慮到上肢康復(fù)機(jī)器人控制箱的體積有限，放棄了在動(dòng)力線端加濾波器的方案，從整改結(jié)果看，相對(duì)于40dB的限值，在142.3MHz頻率處裕量只有1.2dB，還不夠保險(xiǎn)。建議后期在改進(jìn)設(shè)計(jì)中可以對(duì)電氣控制箱進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，加入濾波器[12]，更大限度地抑制輻射發(fā)射。此外，在保證殼體良好封閉性的前提下，在控制箱外加殼體屏蔽[13]，也不失為一種好的方法。

4 結(jié)論

筆者基于上肢康復(fù)機(jī)器人輻射發(fā)射的超標(biāo)問題，介紹了低頻、高頻段的整改措施，并最終符合標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)于上肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行電磁兼容性測(cè)試及問題排查，并確定整改措施，對(duì)后續(xù)進(jìn)一步改善系統(tǒng)的電磁兼容特性，以及降低產(chǎn)品成本有很好的指導(dǎo)作用。上肢康復(fù)機(jī)器人是一個(gè)較為復(fù)雜的電氣系統(tǒng)，建議在盡可能早的設(shè)計(jì)階段考慮電磁兼容問題，結(jié)合系統(tǒng)的自身特點(diǎn)，對(duì)可能的干擾源采取優(yōu)化及抑制措施，減少系統(tǒng)因電磁兼容問題引起的風(fēng)險(xiǎn)。

頻率/MHz準(zhǔn)峰值/dB139．837．2142．338．8144．836．0169．735．8187．935．4

圖6高頻段整改后測(cè)試結(jié)果

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