蘇康佳，楊芳艷，陳媛媛

（1.200093 上海市 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院；2.200093 上海市 上海理工大學(xué) 機(jī)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(jī)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(diǎn)[1]。核輻射環(huán)境不同于常規(guī)環(huán)境，核設(shè)施在運(yùn)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(jī)器人，部分由于本身耐輻射防護(hù)級別較低，剛進(jìn)入事故場地就失去了運(yùn)動能力[4]；2011 年日本福島核電站事故后，救援隊(duì)派出Quince 機(jī)器人進(jìn)行探測工作，但因其電機(jī)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(jī)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(jī)器人系統(tǒng)中一個高度集成的機(jī)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(jì)、安裝和測試大量分散的組件，但設(shè)計(jì)者往往為了追求良好的機(jī)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(jì)的模塊化關(guān)節(jié)模組，如Kinova 等具有很好的機(jī)械性能，被廣泛應(yīng)用于巡檢機(jī)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(jī)部件耐輻射能力，但沒有設(shè)計(jì)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以關(guān)節(jié)模組中電機(jī)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(jìn)行研究。

1 關(guān)節(jié)模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 關(guān)節(jié)模組組成

關(guān)節(jié)模組是將力矩電機(jī)、減速機(jī)、電機(jī)驅(qū)動器以及反饋編碼器等多個零散的運(yùn)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(jì)無需考慮其耐輻射性能，但是針對適用特種機(jī)器人的關(guān)節(jié)模組，在不影響機(jī)械、電氣性能的前提下，需篩選出耐輻射性能高的部件進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

（1）電機(jī)。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(jī)的可調(diào)性能更加優(yōu)越，技術(shù)成熟度高[9]。目前，機(jī)器人關(guān)節(jié)模組常用的電機(jī)中直流無刷電機(jī)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(jī)采用外轉(zhuǎn)子、空心軸設(shè)計(jì)。

（2）減速機(jī)。電機(jī)運(yùn)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(jī)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(jī)，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)在高轉(zhuǎn)速運(yùn)行的同時也能大扭矩輸出。常用的減速機(jī)有齒輪減速機(jī)、蝸桿減速機(jī)和行星減速機(jī)等，其中行星減速機(jī)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(jī)運(yùn)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(shí)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(jī)，具有一定的耐輻射能力，但需要額外的電子裝置進(jìn)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(jī)平穩(wěn)升降速的關(guān)鍵，不同的電機(jī)對應(yīng)不同的驅(qū)動器，大多數(shù)電機(jī)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(jìn)行一系列耐輻射設(shè)計(jì)加固。

1.2 一體化關(guān)節(jié)模組

使用SolidWorks 軟件將電機(jī)、減速機(jī)、編碼器反饋、電機(jī)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(jī)與無框電機(jī)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(jìn)行輻射防護(hù)，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(jì)

電機(jī)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(jī)器人失去運(yùn)動能力而無法執(zhí)行任務(wù)。由于電機(jī)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(yùn)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(shí)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(qiáng)，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(qiáng)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(jì)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(jì)時仍需對芯片部分進(jìn)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(jì)

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(jì)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(zhǔn)，因此在主控電路與三相全橋驅(qū)動電路之間加入耐強(qiáng)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(jī)在低速情況下無法運(yùn)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(jìn)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(jī)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(jìn)行電路板設(shè)計(jì)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(jì)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(dú)立出來增大輻射加固程度。遵循這種特殊設(shè)計(jì)原理，通過多次布局嘗試，設(shè)計(jì)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(jì)

為了使驅(qū)動器能達(dá)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(jì)布局以外，也需要增加屏蔽體。在設(shè)計(jì)屏蔽體時，在達(dá)標(biāo)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行計(jì)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(dá)式建立MCNP 仿真模型如圖4 所示。實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度。

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

通過MCNP-4C 的F1 計(jì)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(jìn)行歸一化計(jì)數(shù)，計(jì)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(jī)器人的工作效率。根據(jù)各種屏蔽材料密度，由式（2）計(jì)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(jì)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(jì)算屏蔽體內(nèi)外通量，得出屏蔽體輻射屏蔽能力，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。當(dāng)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(dá)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(jī)驅(qū)動器需要特殊耐輻射設(shè)計(jì)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(dá)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(yùn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)測試

輻照實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(hù)后的關(guān)節(jié)模組進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)，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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行測試；經(jīng)過耐輻射設(shè)計(jì)后的關(guān)節(jié)模組，其各項(xiàng)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(yùn)行，說明經(jīng)過防護(hù)后的關(guān)節(jié)模組具備耐輻射能力。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，增大關(guān)節(jié)模組驅(qū)動器耐輻射性能。基于MNCP 程序?qū)﹃P(guān)節(jié)模組驅(qū)動器屏蔽體材料進(jìn)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(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)測試，屏蔽效果達(dá)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(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明改進(jìn)后的關(guān)節(jié)模組抵抗600 Gy 的輻射劑量后仍能正常運(yùn)行。目前只進(jìn)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(jìn)一步探究關(guān)節(jié)模組耐輻射能力。