上肢康复机器人辐射发射试验的整改方案*

乐 珺，郭凤仙，胡 鑫

上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070

随着科技的发展与生物电子技术的不断进步，医疗器械的工作频段在不断扩大。现代医院中的电磁环境变得越来越复杂，对外辐射的电磁能量也在不断增强[1]，医疗器械对电磁兼容性的严格要求，经常会导致在后期整改中耗费大量的时间和资金。

在医疗器械的电磁兼容性测试项目中，辐射发射超标的例子屡见不鲜，这就需要对频谱-峰值图进行分析并整改[2-3]，必要时还需通过近场探头加接收机或示波器，综合运用近场测试及辐射远场测试，寻找辐射源。笔者基于上肢康复机器人辐射发射超标案例的整改实例，研究抑制辐射发射的方案。

1 辐射发射测试原理

辐射发射测试的实质是测试设备中两种等效天线所产生的辐射信号。

第一种是信号环路。环路是一种可以产生辐射的等效天线，辐射源是环路中流动的电流信号，任何交变信号所在的环路都会产生辐射，辐射的电场强度与环路面积有关。一个环路面积为S、电流强度为I、频率为F的信号，距离另一个环路D所产生辐射的电场强度为：

E=1.3SIF2/D

(1)

第二种是单极天线，或对称偶极子天线。被等效成单级天线或对称偶极子天线的导体通常是产品中的电缆或其它尺寸较长的导体。干扰源是电缆或其它尺寸较长的导体中的共模电流信号，通常不是电缆或长尺寸导体中的有用信号，而是一种寄生的无用信号，研究这种产生共模辐射的共模电流大小是研究辐射发射问题的重点。如果在天线上流动着电流强度I、频率为F(F≥30MHz)的信号，那么在距离天线D(D≥1m)处所产生的辐射强度为：

(2)

式中：L为电缆长度；λ为干扰源信号的波长[4]。

2 上肢康复机器人辐射发射测试方法

2.1 引用标准

目前，我国对于医疗器械设备的电磁兼容测试采用的国家标准是GB 4824—2013《工业、科学和医疗(ISM)射频设备 骚扰特性 限值和测量方法》、GB/T 17626.6—2008《电磁兼容 试验和测量技术 射频场感应的传导骚扰抗扰度》，分别对应的国际标准是IEC/CISPR 11：2010和IEC 61000-4-6：2006。欧洲目前对于医疗电气设备采用的最新标准是IEC 60601-1-2：2014，国内由国家食品药品监督管理局在2005年4月5日颁布了行业标准YY 0505—2005《医用电气设备 第1-2部分：安全通用要求 并列标准：电磁兼容 要求和试验》，于2007年4月1日起强制执行，要求医疗器械应符合电磁兼容标准中的相关要求。YY 0505—2012《医用电气设备 第1-2部分：安全通用要求 并列标准：电磁兼容 要求和试验》自2014年1月1日起开始实施。

表1为GB 4824—2013中规定测量的 30MHz～1000MHz频率范围内的辐射发射场强限值。低于30MHz频段的限值是指电磁辐射干扰的磁场分量，30MHz～1000MHz频段的限值是指电磁辐射干扰的电场分量，1GHz频段以上的限值是指电磁辐射干扰的功率。要求在设备辐射量最大的情况下测试的准峰值低于限值，这样即可判定为合格。

表1 标准中对辐射发射限值的规定

2.2 测试要求

上肢康复机器人共有三种工作模式。

(1) 主动训练。患者需克服自身的重力做训练，根据虚拟现实的场景完成一定的任务。

(2) 被动训练，示教模式。患者的自身重力由机器辅助，操作人员决定运动轨迹。操作人员先带动患者的手臂做一遍完整的康复训练，然后机器复现理疗师的操作。

(3) 助力训练。系统补偿机器的重力和患者的部分重力，补偿值可由理疗师设定，根据虚拟现实场景完成一定的任务。

按照标准规定，受试设备的辐射干扰测试应在运行模式能产生最大辐射干扰的状态下，按照设备规定的正常运行条件进行，运行的持续时间要足够长于测试持续时间[5]。试验中选择被动训练模式中电机运行速度最快、肩肘部运动范围最大的状态。

3 辐射发射试验

3.1 试验结果

对于30MHz～1000MHz的电场强度测量，使用复合对数周期天线，接收天线在1～4m高度变化，天线在水平和竖直极化方向上进行测量，转台在所有角度旋转，以便在每个测量频段点记录最大值。如图1所示，测试中发现设备正常工作状态时，会在不同频段内辐射发射超A类设备规定准峰值，产品在低频段30MHz～75MHz、高频段100MHz～200MHz之间都有不同程度的超标，此处只列举结果较差的竖直方向。

3.2 低频段整改方案

整改方案从上肢康复机器人的工作原理出发，逐一断开各模块的通信，通过对比频谱-准峰值图，确定干扰源。图2为断开肩肘部绝对式编码器后的测试结果，可以看出绝对式编码器与驱动器的通信断开后，低频段的毛刺信号消失，判断低频段毛刺来源于绝对式编码器频率为4MHz的时钟信号，因为超标点大部分为4MHz的倍频点。

在上肢康复机器人系统中，绝对式编码器的时钟信号由驱动器发出，因此针对低频段绝对式编码器时钟信号产生的尖峰毛刺，需要从驱动器的时钟信号输出端，即源头端解决。整改方案为靠近驱动器时钟信号发射端串联220Ω的平滑曲线磁珠，对时钟扩频技术是将某固定频率通过另一频率以频率调制的方式进行扩展，其特征之一是载波的带宽比调制频率的带宽要宽得多[6-7]。标准中规定的30MHz～1000MHz辐射发射采用120kHz中频频宽，因此选用扩频芯片SM560，通过 120kHz 的十倍频1MHz对时钟频率进行调频。这种方式通过分散频谱的能量来解决某一固定频段辐射超标的问题，试验结果如图4所示。

频率/MHz准峰值/dB39．946．243．951．747．942．6143．543．6180．140．6

图1上肢康复机器人整改前竖直方向辐射发射

频率/MHz准峰值/dB135．837．5139．736．3171．741．7179．340．2209．135．4

图2绝对式编码器断开后竖直方向辐射发射

地增加22pF电容，且在时钟信号端增加扩频集成芯片，抑制时钟信号的谐波，如图3所示。

图3 低频段辐射发射整改方案

由图4可以看出，磁珠及扩展集成芯片对绝对式编码器低频段时钟信号的毛刺信号起到了很好的抑制作用，部分频段缩小辐射发射值达 10dB，且该方案仅针对驱动器硬件电路做了修改，改动工作量小，适宜量产，是一种可行的解决方案。

3.3 高频段整改方案

由图2可知，低频段毛刺信号消失后，高频段集中在130MHz～200MHz的超标依然存在。研究表明，电子设备中主要的电磁辐射源是大电流、高电压的强功率电路和器件，电压或电流快速变化的电路和器件，以及高频电路和器件[8-9]。结合近场探头加接收机的现场试验，断开动力线后，高频干扰明显降低，将驱动器动力线作为主要怀疑的辐射干扰源。

频率/MHz准峰值/dB31．936．434．935．239．939．4133．834．5138．437．2141．438．7

图4低频段整改后测试结果

研究上肢康复机器人驱动器动力线部分，从电磁兼容性的角度分析，存在如下缺点。

(1) 驱动器外壳材料仅为单面金属，其余外表面为塑料外壳，导致电磁泄漏。

(2) 传感器、动力线的线束过长，尤其是肘部模块的信号线需从肘部沿着手臂绕过肩部，回到电气箱。

(3) 传感器的弱电流信号线与动力线的强电流信号线绕在一起，且线束暴露在外，造成较大的耦合干扰。

(4) 肩肘部的U、V、W三相动力线分别用一根3芯带屏蔽层的线接至驱动器硬件电路模块后再单端接地，没有做到360°环接。

综合以上几点，制定如图5所示整改方案。原理上在动力线束上安装滤波器，可以吸收或旁路部分高频传导干扰，从而降低辐射干扰。但是考虑到动力线电流较大，相应的滤波器尺寸也会较大[10-11]，电气箱内无安装空间，因此决定在不破坏整体线束的基础上，在动力线进出位置安装纳米晶材料、锰锌材料吸收磁环，用于减小共模干扰电流。

图5 高频段辐射发射整改方案

通过增加高速光耦，增大动力线的屏蔽层密度，在减小共模干扰的同时，吸收部分差模干扰，减小电流回路的面积。走线时注意动力线线束与弱电信号线分开，同时保证动力线屏蔽层与驱动器硬件电路模块的接插件连接处360°环接。整改后的测试结果如图6所示，符合标准要求。

此次整改，因考虑到上肢康复机器人控制箱的体积有限，放弃了在动力线端加滤波器的方案，从整改结果看，相对于40dB的限值，在142.3MHz频率处裕量只有1.2dB，还不够保险。建议后期在改进设计中可以对电气控制箱进行进一步优化，加入滤波器[12]，更大限度地抑制辐射发射。此外，在保证壳体良好封闭性的前提下，在控制箱外加壳体屏蔽[13]，也不失为一种好的方法。

4 结论

笔者基于上肢康复机器人辐射发射的超标问题，介绍了低频、高频段的整改措施，并最终符合标准要求。对于上肢康复机器人进行电磁兼容性测试及问题排查，并确定整改措施，对后续进一步改善系统的电磁兼容特性，以及降低产品成本有很好的指导作用。上肢康复机器人是一个较为复杂的电气系统，建议在尽可能早的设计阶段考虑电磁兼容问题，结合系统的自身特点，对可能的干扰源采取优化及抑制措施，减少系统因电磁兼容问题引起的风险。

频率/MHz准峰值/dB139．837．2142．338．8144．836．0169．735．8187．935．4

图6高频段整改后测试结果

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(编辑：小 前)