上肢康復機器人輻射發射試驗的整改方案*

樂 珺，郭鳳仙，胡 鑫

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

隨著科技的發展與生物電子技術的不斷進步，醫療器械的工作頻段在不斷擴大。現代醫院中的電磁環境變得越來越復雜，對外輻射的電磁能量也在不斷增強[1]，醫療器械對電磁兼容性的嚴格要求，經常會導致在后期整改中耗費大量的時間和資金。

在醫療器械的電磁兼容性測試項目中，輻射發射超標的例子屢見不鮮，這就需要對頻譜-峰值圖進行分析并整改[2-3]，必要時還需通過近場探頭加接收機或示波器，綜合運用近場測試及輻射遠場測試，尋找輻射源。筆者基于上肢康復機器人輻射發射超標案例的整改實例，研究抑制輻射發射的方案。

1 輻射發射測試原理

輻射發射測試的實質是測試設備中兩種等效天線所產生的輻射信號。

第一種是信號環路。環路是一種可以產生輻射的等效天線，輻射源是環路中流動的電流信號，任何交變信號所在的環路都會產生輻射，輻射的電場強度與環路面積有關。一個環路面積為S、電流強度為I、頻率為F的信號，距離另一個環路D所產生輻射的電場強度為：

E=1.3SIF2/D

(1)

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

(2)

式中：L為電纜長度；λ為干擾源信號的波長[4]。

2 上肢康復機器人輻射發射測試方法

2.1 引用標準

目前，我國對于醫療器械設備的電磁兼容測試采用的國家標準是GB 4824—2013《工業、科學和醫療(ISM)射頻設備 騷擾特性 限值和測量方法》、GB/T 17626.6—2008《電磁兼容 試驗和測量技術 射頻場感應的傳導騷擾抗擾度》，分別對應的國際標準是IEC/CISPR 11：2010和IEC 61000-4-6：2006。歐洲目前對于醫療電氣設備采用的最新標準是IEC 60601-1-2：2014，國內由國家食品藥品監督管理局在2005年4月5日頒布了行業標準YY 0505—2005《醫用電氣設備 第1-2部分：安全通用要求 并列標準：電磁兼容 要求和試驗》，于2007年4月1日起強制執行，要求醫療器械應符合電磁兼容標準中的相關要求。YY 0505—2012《醫用電氣設備 第1-2部分：安全通用要求 并列標準：電磁兼容 要求和試驗》自2014年1月1日起開始實施。

表1為GB 4824—2013中規定測量的 30MHz～1000MHz頻率范圍內的輻射發射場強限值。低于30MHz頻段的限值是指電磁輻射干擾的磁場分量，30MHz～1000MHz頻段的限值是指電磁輻射干擾的電場分量，1GHz頻段以上的限值是指電磁輻射干擾的功率。要求在設備輻射量最大的情況下測試的準峰值低于限值，這樣即可判定為合格。

表1 標準中對輻射發射限值的規定

2.2 測試要求

上肢康復機器人共有三種工作模式。

(1) 主動訓練。患者需克服自身的重力做訓練，根據虛擬現實的場景完成一定的任務。

(2) 被動訓練，示教模式。患者的自身重力由機器輔助，操作人員決定運動軌跡。操作人員先帶動患者的手臂做一遍完整的康復訓練，然后機器復現理療師的操作。

(3) 助力訓練。系統補償機器的重力和患者的部分重力，補償值可由理療師設定，根據虛擬現實場景完成一定的任務。

按照標準規定，受試設備的輻射干擾測試應在運行模式能產生最大輻射干擾的狀態下，按照設備規定的正常運行條件進行，運行的持續時間要足夠長于測試持續時間[5]。試驗中選擇被動訓練模式中電機運行速度最快、肩肘部運動范圍最大的狀態。

3 輻射發射試驗

3.1 試驗結果

對于30MHz～1000MHz的電場強度測量，使用復合對數周期天線，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行測量，轉臺在所有角度旋轉，以便在每個測量頻段點記錄最大值。如圖1所示，測試中發現設備正常工作狀態時，會在不同頻段內輻射發射超A類設備規定準峰值，產品在低頻段30MHz～75MHz、高頻段100MHz～200MHz之間都有不同程度的超標，此處只列舉結果較差的豎直方向。

3.2 低頻段整改方案

整改方案從上肢康復機器人的工作原理出發，逐一斷開各模塊的通信，通過對比頻譜-準峰值圖，確定干擾源。圖2為斷開肩肘部絕對式編碼器后的測試結果，可以看出絕對式編碼器與驅動器的通信斷開后，低頻段的毛刺信號消失，判斷低頻段毛刺來源于絕對式編碼器頻率為4MHz的時鐘信號，因為超標點大部分為4MHz的倍頻點。

在上肢康復機器人系統中，絕對式編碼器的時鐘信號由驅動器發出，因此針對低頻段絕對式編碼器時鐘信號產生的尖峰毛刺，需要從驅動器的時鐘信號輸出端，即源頭端解決。整改方案為靠近驅動器時鐘信號發射端串聯220Ω的平滑曲線磁珠，對時鐘擴頻技術是將某固定頻率通過另一頻率以頻率調制的方式進行擴展，其特征之一是載波的帶寬比調制頻率的帶寬要寬得多[6-7]。標準中規定的30MHz～1000MHz輻射發射采用120kHz中頻頻寬，因此選用擴頻芯片SM560，通過 120kHz 的十倍頻1MHz對時鐘頻率進行調頻。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的問題，試驗結果如圖4所示。

頻率/MHz準峰值/dB39．946．243．951．747．942．6143．543．6180．140．6

圖1上肢康復機器人整改前豎直方向輻射發射

頻率/MHz準峰值/dB135．837．5139．736．3171．741．7179．340．2209．135．4

圖2絕對式編碼器斷開后豎直方向輻射發射

地增加22pF電容，且在時鐘信號端增加擴頻集成芯片，抑制時鐘信號的諧波，如圖3所示。

圖3 低頻段輻射發射整改方案

由圖4可以看出，磁珠及擴展集成芯片對絕對式編碼器低頻段時鐘信號的毛刺信號起到了很好的抑制作用，部分頻段縮小輻射發射值達 10dB，且該方案僅針對驅動器硬件電路做了修改，改動工作量小，適宜量產，是一種可行的解決方案。

3.3 高頻段整改方案

由圖2可知，低頻段毛刺信號消失后，高頻段集中在130MHz～200MHz的超標依然存在。研究表明，電子設備中主要的電磁輻射源是大電流、高電壓的強功率電路和器件，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]。結合近場探頭加接收機的現場試驗，斷開動力線后，高頻干擾明顯降低，將驅動器動力線作為主要懷疑的輻射干擾源。

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

圖4低頻段整改后測試結果

研究上肢康復機器人驅動器動力線部分，從電磁兼容性的角度分析，存在如下缺點。

(1) 驅動器外殼材料僅為單面金屬，其余外表面為塑料外殼，導致電磁泄漏。

(2) 傳感器、動力線的線束過長，尤其是肘部模塊的信號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線與動力線的強電流信號線繞在一起，且線束暴露在外，造成較大的耦合干擾。

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

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

圖5 高頻段輻射發射整改方案

通過增加高速光耦，增大動力線的屏蔽層密度，在減小共模干擾的同時，吸收部分差模干擾，減小電流回路的面積。走線時注意動力線線束與弱電信號線分開，同時保證動力線屏蔽層與驅動器硬件電路模塊的接插件連接處360°環接。整改后的測試結果如圖6所示，符合標準要求。

此次整改，因考慮到上肢康復機器人控制箱的體積有限，放棄了在動力線端加濾波器的方案，從整改結果看，相對于40dB的限值，在142.3MHz頻率處裕量只有1.2dB，還不夠保險。建議后期在改進設計中可以對電氣控制箱進行進一步優化，加入濾波器[12]，更大限度地抑制輻射發射。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 結論

筆者基于上肢康復機器人輻射發射的超標問題，介紹了低頻、高頻段的整改措施，并最終符合標準要求。對于上肢康復機器人進行電磁兼容性測試及問題排查，并確定整改措施，對后續進一步改善系統的電磁兼容特性，以及降低產品成本有很好的指導作用。上肢康復機器人是一個較為復雜的電氣系統，建議在盡可能早的設計階段考慮電磁兼容問題，結合系統的自身特點，對可能的干擾源采取優化及抑制措施，減少系統因電磁兼容問題引起的風險。

頻率/MHz準峰值/dB139．837．2142．338．8144．836．0169．735．8187．935．4

圖6高頻段整改后測試結果

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(編輯：小 前)