特種機器人關(guān)節(jié)模組設(shè)計及輻射防護

蘇康佳，楊芳艷，陳媛媛

（1.200093 上海市 上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院；2.200093 上海市 上海理工大學(xué) 機器智能研究院；3.200433 上海市 海軍軍醫(yī)大學(xué)）

0 引言

目前，隨著各國核能技術(shù)水平的不斷提升和公眾對核安全的高度關(guān)注，核設(shè)施的日常檢修、輻射監(jiān)測以及核事故的應(yīng)急救援等復(fù)雜操作，引入機器人技術(shù)代替人工已經(jīng)成為全球核事業(yè)發(fā)展的熱點[1]。核輻射環(huán)境不同于常規(guī)環(huán)境，核設(shè)施在運行過程中會釋放一些輻射粒子，主要是γ射線[2]，容易導(dǎo)致關(guān)節(jié)模組中電子元器件失靈、電纜絕緣破裂、軸承潤滑失效等危害[3]。蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故后，各國派去現(xiàn)場的救援機器人，部分由于本身耐輻射防護級別較低，剛進入事故場地就失去了運動能力[4]；2011 年日本福島核電站事故后，救援隊派出Quince 機器人進行探測工作，但因其電機驅(qū)動器外置于關(guān)節(jié)模組，輻射劑量超過其耐受能力而停止工作，任務(wù)被迫終止[5]。因此，提高特種機器人關(guān)節(jié)模組輻射能力是亟需解決的問題。

關(guān)節(jié)模組作為機器人系統(tǒng)中一個高度集成的機電一體化伺服裝置，無需考慮復(fù)雜的關(guān)節(jié)連接和動力集成，同時也省去一系列繁瑣的設(shè)計、安裝和測試大量分散的組件，但設(shè)計者往往為了追求良好的機械性能而放棄復(fù)雜環(huán)境下的生存能力，導(dǎo)致無法在核環(huán)境下工作。目前國內(nèi)外對輻射環(huán)境下的關(guān)節(jié)模組研究并不多，但對其構(gòu)成部件耐輻射性能研究已有很大成果。采用中空設(shè)計的模塊化關(guān)節(jié)模組，如Kinova 等具有很好的機械性能，被廣泛應(yīng)用于巡檢機器人上，但其耐輻射性能很低[6]；Nakamichi 等[7]將關(guān)節(jié)模組中線纜、絕緣漆、潤滑劑等更換為耐輻射性能高的新型材料，提升了關(guān)節(jié)模組中電機部件耐輻射能力，但沒有設(shè)計相應(yīng)的耐輻射驅(qū)動器；華東理工大學(xué)承壓系統(tǒng)重點實驗室以關(guān)節(jié)模組中電機驅(qū)動器為研究對象，通過篩選耐輻射電子器件，增加屏蔽體來提高耐輻射能力[8]。這些研究大都體現(xiàn)關(guān)節(jié)模組各個部件上，缺少一種集成的一體化耐輻射關(guān)節(jié)模組，基于此，本文將針對集成耐輻射關(guān)節(jié)模組進行研究。

1 關(guān)節(jié)模組結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 關(guān)節(jié)模組組成

關(guān)節(jié)模組是將力矩電機、減速機、電機驅(qū)動器以及反饋編碼器等多個零散的運動控制傳動組件集成于一體的動力輸出部件。在常規(guī)環(huán)境下關(guān)節(jié)模組設(shè)計無需考慮其耐輻射性能，但是針對適用特種機器人的關(guān)節(jié)模組，在不影響機械、電氣性能的前提下，需篩選出耐輻射性能高的部件進行特殊設(shè)計。

（1）電機。關(guān)節(jié)模組本質(zhì)上是一個力矩致動器，必須要有動力源，相比較一些使用液壓或氣壓做動力源的關(guān)節(jié)模組，電機的可調(diào)性能更加優(yōu)越，技術(shù)成熟度高[9]。目前，機器人關(guān)節(jié)模組常用的電機中直流無刷電機體積小、力矩大、不存在電刷換向、對環(huán)境的要求更低，可適用于一些輻射環(huán)境。為了節(jié)省關(guān)節(jié)模組空間，減少受輻射面積，無刷電機采用外轉(zhuǎn)子、空心軸設(shè)計。

（2）減速機。電機運行在高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩時具有較大的功率密度，可以減小電機體積從而降低關(guān)節(jié)模組的整體重量，所以在模組中需要增加減速機，以實現(xiàn)電機在高轉(zhuǎn)速運行的同時也能大扭矩輸出。常用的減速機有齒輪減速機、蝸桿減速機和行星減速機等，其中行星減速機相比前兩者精度高、體積小、質(zhì)量輕，同時具有較大的減速比，能輸出更大的扭矩，使用壽命長，更適用于核輻射環(huán)境。

（3）編碼器。編碼器用于電機運行時轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)角信息的收集，常用的編碼器有光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器和磁電編碼器等。光電編碼器直接輸出數(shù)字信號，電路簡單，但編碼器中的光柵輪不具備抗輻射能力；旋轉(zhuǎn)變壓器其實是一種測量旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)軸角位移和角速度的小型交流電機，具有一定的耐輻射能力，但需要額外的電子裝置進行信號處理和記錄旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，操作比較復(fù)雜；磁電編碼器利用磁場變化來提供轉(zhuǎn)子絕對位置，代替?zhèn)鹘y(tǒng)碼盤，相比前兩者更耐腐蝕、耐輻射、穩(wěn)定性能高[10]。

（4）驅(qū)動器。驅(qū)動器作為關(guān)節(jié)模組的核心部件，是電機平穩(wěn)升降速的關(guān)鍵，不同的電機對應(yīng)不同的驅(qū)動器，大多數(shù)電機驅(qū)動器由主控電路、前置驅(qū)動電路、驅(qū)動電路和反饋電路組成。驅(qū)動器是整個關(guān)節(jié)模組中最容易受到輻射損傷的部件，需要對其進行一系列耐輻射設(shè)計加固。

1.2 一體化關(guān)節(jié)模組

使用SolidWorks 軟件將電機、減速機、編碼器反饋、電機驅(qū)動器等部件通過軸承、連接件等緊密排布，如圖1 所示，行星減速機與無框電機相連，增大關(guān)節(jié)模組輸出扭矩，驅(qū)動器放置在模組尾部，由耐輻射材料構(gòu)成的屏蔽體進行輻射防護，屏蔽體內(nèi)置相變材料吸收驅(qū)動器工作所產(chǎn)生的熱量。

圖1 關(guān)節(jié)模組結(jié)構(gòu)三維圖Fig.1 Three-dimensional diagram of joint module structure

2 關(guān)節(jié)模組輻射屏蔽加固

2.1 耐輻射驅(qū)動器設(shè)計

電機驅(qū)動器是關(guān)節(jié)模組控制核心，一旦出現(xiàn)任何信號偏差，都將導(dǎo)致機器人失去運動能力而無法執(zhí)行任務(wù)。由于電機驅(qū)動器由大量電子器件構(gòu)成，在核環(huán)境下，由輻射引起的表面效應(yīng)會導(dǎo)致一些耐輻射性能差的半導(dǎo)體器件鈍化層發(fā)生電離和缺陷，內(nèi)部電荷激發(fā)、電荷輸運等永久失效，有時還會出現(xiàn)不受控制的充放電、閉鎖等瞬態(tài)效應(yīng)。對驅(qū)動器實施針對性的抗輻射加固，使其具備輻射環(huán)境下正常工作能力，是首先要解決的問題。

2.1.1 驅(qū)動器電子器件輻射性能篩選

不同的電子器件因制造工藝或材料不同，其耐輻射性能會有很大差別。常用的電阻、電容等元器件耐輻射能力強，在核環(huán)境下幾乎沒有影響，而半導(dǎo)體器件中的集成電路由晶體管組成，主要有雙極型、結(jié)型和MOS 型這3 類，前兩者的耐輻射能力要比MOS 型強一些，但應(yīng)用最廣泛的是MOS 型晶體管集成電路，隨著對GaN 基材料研究的深入與工藝水平提高，部分 MOS 型集成電路耐輻照能力得到很大提高，已經(jīng)可以應(yīng)用于宇航、軍工、核設(shè)施建設(shè)中[11]。所以在電路設(shè)計時，優(yōu)先選擇GaN 基材料的半導(dǎo)體器件。表1 列出了篩選后所采用的主要電子元件的制造工藝、具體功能及輻射損傷劑量。從表中可見主控芯片相比其他器件耐輻射性能較低，在設(shè)計時仍需對芯片部分進行特殊輻射加固。

表1 驅(qū)動器電子器件工藝及耐輻射性能Tab.1 Drive electronics process and radiation resistance

2.1.2 驅(qū)動器電路耐輻射設(shè)計

本文在對電子元器件耐輻射性能篩選后，驅(qū)動器電路設(shè)計過程中也采取了耐輻射措施，考慮到大部分前驅(qū)電路使用集成度較高的數(shù)字電路，在長時間的輻射環(huán)境下很容易引起晶體管的導(dǎo)通電壓失準，因此在主控電路與三相全橋驅(qū)動電路之間加入耐強輻射的高頻隔離變壓器，但在低占空比情況下，高頻隔離變壓器又很難工作，就會導(dǎo)致電機在低速情況下無法運行，此時加入模擬電子搭建的電路，如圖2 所示，通過開關(guān)電路進行狀態(tài)切換。因電子器件在不提供工作電壓、不帶偏置時抗輻射性能要優(yōu)于提供工作電壓、帶偏置時的抗輻射性能，因此少數(shù)時間使用模擬電子前驅(qū)電路，大部分情況使用高頻隔離變壓器，可以極大程度提高驅(qū)動器整體的耐輻射性能。

圖2 電機驅(qū)動器抗輻射加固后框架圖Fig.2 Frame diagram of motor drive after radiation reinforcement

在對驅(qū)動器進行電路板設(shè)計過程中，為減少驅(qū)動器受輻射面積，應(yīng)盡可能縮小驅(qū)動板整體面積，采用元器件雙面布局方案。為了減小后期驅(qū)動器屏蔽體體積，提高屏蔽性能，采用一種立體空間式電路板設(shè)計方法，依據(jù)器件耐輻射能力大小由外向內(nèi)布局，將耐輻射能力最差的主控芯片獨立出來增大輻射加固程度。遵循這種特殊設(shè)計原理，通過多次布局嘗試，設(shè)計出如圖3 所示驅(qū)動器電路板，尺寸為下層直徑4 cm，上層直徑2 cm，高1.5 cm。

圖3 驅(qū)動器抗輻射加固后三維圖Fig.3 Three-dimensional diagram of the driver after radiation hardening

2.2 驅(qū)動器屏蔽體設(shè)計

為了使驅(qū)動器能達到輻射環(huán)境使用要求，除了對電子元件重新篩選及驅(qū)動電路特殊設(shè)計布局以外，也需要增加屏蔽體。在設(shè)計屏蔽體時，在達標情況下，盡量使屏蔽體的質(zhì)量和體積更小，同時也要考慮屏蔽材料的價格。對于核環(huán)境中的γ射線屏蔽，大多數(shù)采用具有較大質(zhì)核比和核外多電子層結(jié)構(gòu)的重金屬，因其對射線的吸收和消散效果較好，比如鎢、鉛、鐵、鎳合金等，為了進一步探究和比較這些材料的屏蔽性能，本文采用MCNP 程序?qū)Σ牧系钠帘涡阅苓M行模擬比較。

2.2.1 不同材料屏蔽性能研究

材料的屏蔽性能取決于其線性吸收系數(shù)，可通過式（1）進行計算。

式中：I0、I——穿過材料前后的射線透過率；μ——材料線性吸收系數(shù)，cm-1；μm——材料質(zhì)量吸收系數(shù)，cm2/g；x——材料吸收厚度，cm；xm——材料質(zhì)量厚度，g/cm2。

由式（1）可得ln（I0/I）-x呈線性相關(guān)。由表達式建立MCNP 仿真模型如圖4 所示。實驗采用單能、窄束光子，同一方向垂直入射20 cm×20 cm的長方形屏蔽材料。據(jù)研究，核事故產(chǎn)生的γ射線能量范圍在0～1.48 MeV[12]，所以本文采用0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 MeV 分別作為入射γ射線強度。

圖4 MNCP 仿真模型Fig.4 MNCP simulation model

通過MCNP-4C 的F1 計數(shù)卡模擬出γ射線穿過不同屏蔽材料后的出射粒子，并進行歸一化計數(shù)，計算得出不同能量下線性吸收系數(shù)，由圖5 可見，鎢的線性吸收系數(shù)最大，其次是鉛，而鐵和鎳合金的線性吸收系數(shù)較小，相對來說屏蔽性能較差。所以可選擇鎢或鉛作為屏蔽材料。

圖5 不同γ 能量下屏蔽材料線性吸收系數(shù)Fig.5 Linear absorption coefficient of shielding materials at different γ energies

對于驅(qū)動器屏蔽體，在考慮屏蔽性能的同時，也需要考慮屏蔽體的質(zhì)量，過大的“死重”會影響關(guān)節(jié)模組以及機器人的工作效率。根據(jù)各種屏蔽材料密度，由式（2）計算屏蔽材料的質(zhì)量吸收系數(shù)，由圖6 可以看出，鉛的質(zhì)量吸收系數(shù)大于鎢，所以單位質(zhì)量的鉛屏蔽效果要好于鎢。

圖6 不同γ 能量下屏蔽材料質(zhì)量吸收系數(shù)Fig.6 Mass absorption coefficient of shielding materials under different γ energy

式中：ρ——材料的密度。

2.2.2 屏蔽體模型

根據(jù)4 種屏蔽材料的線性吸收系數(shù)和質(zhì)量吸收系數(shù)，綜合考慮價格后選取鉛作為關(guān)節(jié)模組驅(qū)動器屏蔽材料。由驅(qū)動器形狀設(shè)計出屏蔽體三維圖，如圖7 所示，將最容易受輻射損傷的芯片放置內(nèi)部，增加芯片屏蔽層厚度。

圖7 驅(qū)動器屏蔽體三維圖Fig.7 Three-dimensional diagram of driver shield

基于MNCP 建立不同厚度的屏蔽體模型，通過計算屏蔽體內(nèi)外通量，得出屏蔽體輻射屏蔽能力，仿真實驗結(jié)果如表2 所示。當屏蔽體壁厚1 cm，直徑6 cm，芯片屏蔽側(cè)面和頂部厚度均為2 cm 時，屏蔽效果達到83.51%，基本符合輻射要求。屏蔽體厚度增大，屏蔽效果越好，但屏蔽體體積倍增，質(zhì)量增加，則影響關(guān)節(jié)模組整體性能。

表2 不同厚度屏蔽體耐輻射性能仿真測試Tab.2 Simulation test of radiation resistance performance of different-thickness shielding body

2.3 其它部件耐輻射性能

關(guān)節(jié)模組系統(tǒng)除了電機驅(qū)動器需要特殊耐輻射設(shè)計之外，模組引出線纜、軸承潤滑脂等也需要考慮其耐輻射能力，需更換為相對耐輻射性能高的器件，以延長關(guān)節(jié)模組在核環(huán)境下的生存時間。

（1）電纜。關(guān)節(jié)模組中常用到的引出線纜，一般絕緣層由聚合物組成，在核環(huán)境下極易碎裂失效，影響電氣性能，甚至出現(xiàn)短路。經(jīng)輻照測試后選取耐輻射性更優(yōu)的 PEEK(聚醚醚酮)絕緣線纜，在γ輻照劑量達到11 MGy 后仍具有良好的電氣性能，如圖8 所示。

圖8 模組線纜更換前后對比圖Fig.8 Comparison before and after module cable replacement

（2）軸承。軸承是關(guān)節(jié)模組穩(wěn)定運行必不可少的器件，潤滑脂作為軸承的潤滑介質(zhì)，在核環(huán)境下極易老化失效，從而導(dǎo)致軸承鋼珠與內(nèi)外圈之間產(chǎn)生干摩擦，造成軸承損壞，進而影響關(guān)節(jié)模組控制精度，本文選用自潤滑軸承來解決軸承潤滑脂帶來的輻射影響[13]，如圖9 所示。

圖9 模組軸承更換前后對比圖Fig.9 Comparison before and after module bearing replacement

3 實驗測試

輻照實驗地點在海軍軍醫(yī)大學(xué)（第二軍醫(yī)院大學(xué)）海軍醫(yī)學(xué)系輻照中心，實驗環(huán)境如圖10 所示，在Co60 源輻射下，對普通關(guān)節(jié)模組和經(jīng)過輻射防護后的關(guān)節(jié)模組進行輻照實驗，輻射劑量率為60 Gy/h，輻照時長為10 h，輻照后對關(guān)節(jié)模組進行基本電學(xué)測試，測試平臺如圖11 所示。測試結(jié)果如表3 所示。

表3 普通關(guān)節(jié)模組與耐輻射關(guān)節(jié)模組輻射測試Tab.3 Radiation test for common joint module and radiation-resistant joint module

圖10 輻照實驗環(huán)境Fig.10 Irradiation experiment environment

圖11 關(guān)節(jié)模組參數(shù)測試平臺Fig.11 Joint module parameter test platform

由于普通關(guān)節(jié)模組未采取防輻射措施，經(jīng)輻照后模組引出電纜裂解，驅(qū)動器被輻射損壞，連接不到主控芯片，無法進行測試；經(jīng)過耐輻射設(shè)計后的關(guān)節(jié)模組，其各項基本參數(shù)無明顯的變化，關(guān)節(jié)模組仍然可以長時間運行，說明經(jīng)過防護后的關(guān)節(jié)模組具備耐輻射能力。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種可應(yīng)用于核環(huán)境的耐輻射關(guān)節(jié)模組，通過對關(guān)節(jié)模組中易受輻射損傷的驅(qū)動器電子器件進行耐輻射性能篩選，剔除易受輻射損傷的器件，對驅(qū)動器電路及PCB 進行設(shè)計改進，增大關(guān)節(jié)模組驅(qū)動器耐輻射性能?；贛NCP 程序?qū)﹃P(guān)節(jié)模組驅(qū)動器屏蔽體材料進行模擬仿真，結(jié)合屏蔽性能和屏蔽體重量及價格等因素，選取鉛作為屏蔽材料。對驅(qū)動器屏蔽體進行仿真實驗測試，屏蔽效果達到80%以上。在核輻射源下對輻射加固后的關(guān)節(jié)模組與普通模組進行輻照實驗，結(jié)果表明改進后的關(guān)節(jié)模組抵抗600 Gy 的輻射劑量后仍能正常運行。目前只進行了輻射環(huán)境下靜態(tài)測試，后期會搭建輻射環(huán)境下關(guān)節(jié)模組動態(tài)性能測試平臺，進一步探究關(guān)節(jié)模組耐輻射能力。