手术机器人系统辐射发射超标分析

李 丹

上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070

随着电子技术的发展和广泛应用,医疗设备的电子化程度不断提高,医疗设备的电磁兼容问题也越来越突出。自2014年1月1日开始,国家强制实施医疗器械电磁兼容标准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》。在医疗产品电磁兼容测试项目中,辐射发射测试是重要的测试项目之一,也是产生问题最多,最不容易通过的项目之一。笔者以某手术机器人系统为例,介绍了辐射发射超标整改措施,并通过测试验证整改措施的可行性和有效性。

1 辐射发射测试要求

辐射发射测试主要测试电气设备或系统在正常工作时对外界的辐射干扰强度,包括电路板、控制器、电缆等所有电气部件的辐射干扰。将测试结果与标准限值进行比较,判断被测试电气设备或系统的辐射发射是否满足要求,测试结果低于限值,则通过辐射发射测试,反之则不通过。

不同类型的产品有不同的辐射发射测试限值,要结合产品专用标准或产品类标准来确定。对于手术机器人系统的辐射发射测试限值,依据国家标准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》的定义,手术机器人系统是第1组A类产品,应选用第1组A类的限值进行判定,要求见表1。以10 m距离测量为例,手术机器人系统额定输入功率小于20 kW,频段为30 MHz～230 MHz,辐射干扰准峰值应小于40 dBμV/m,频段为230 MHz～1 000 MHz,辐射干扰准峰值应小于47 dBμV/m。

表1 手术机器人系统辐射发射测试限值规定

2 辐射发射测试布置

手术机器人系统的辐射发射测试在10 m电波暗室内进行,测试方法[1]如图1所示。将被测试设备放置在可360°旋转的转台上,并且与转台保持良好绝缘。接收天线距离被测试设备10 m,可以在竖直方向上下1～4 m范围内移动,并进行竖直极化和水平极化测试。标准要求被测试设备处于辐射发射最强的工作状态下,机械臂连续运动,导航系统和光学定位系统之间进行实时通信。手术机器人系统辐射发射测试现场如图2所示。

图1 手术机器人系统辐射发射测试方法

图2 手术机器人系统辐射发射测试现场

3 辐射发射测试结果

手术机器人系统辐射发射测试波形如图3所示。由测试结果可知,被测试设备在60 MHz、150 MHz、300 MHz、750 MHz、900 MHz频点处发生辐射超标。超标最大点出现在900 MHz频点处,超出标准限值约12 dBμV/m。仔细观察发现,在450 MHz和600 MHz频点处也出现毛刺,并且与频谱中出现的几处超标频点呈倍频关系。

图3 手术机器人系统辐射发射测试结果

4 原因分析

电磁干扰的三要素是干扰源、耦合途径、敏感设备[2],只有三要素全部具备,才会发生电磁干扰现象。所以,在电磁兼容的整改措施中,总是想方设法去除其中的一个要素。在辐射发射测试中,接收天线是敏感设备,是客观存在且不可改变的。由此,解决辐射发射超标问题,需要从干扰源和耦合途径两方面考虑。查找干扰源的方法有很多,可以根据设计者经验和产品特点来选择适合的方法。笔者使用的是看图法和近场探头法。

由辐射发射测试频谱图可以看出,超标的信号为窄带噪声,且呈现出一定的倍频关系,发生这种干扰的原因可能与系统内部时钟等产生周期性信号的器件有关。结合手术机器人系统电路结构分析可知,系统使用了数字视频接口转换模块,根据数字视频接口传输原理[3],当手术机器人系统视频显示信号设置为1 920像素×1 080像素分辨率、60 Hz频率时,计算得到时钟频率为148.5 MHz,这一时钟频率与超标频点非常接近。由此可以初步确定,数字视频接口转换模块可能是一个干扰源。

近场探头法指通过频谱分析仪的近场探头在被测设备上进行排查。如果对应的频段近场探头测到的干扰比较大,那么很有可能辐射发射超标与之有关。在手术机器人系统进行近场探测的过程中,发现机器人机械臂轴关节处探测到较强的60 MHz～70 MHz辐射发射噪声,这个干扰信号随着机械臂负载的增大而增大。由此推断,发生辐射发射超标的原因与机械臂轴关节处的直流电机驱动器、编码器和控制器局域网络通信线等电气件有关。虽然这些电气件置于罩壳内部,但是因为罩壳为经过喷涂导电漆处理的塑料材料,在罩壳的边缘和金属螺钉的安装处容易发生辐射发射泄漏。根据以上分析,60 MHz频点辐射发射超标可能与机械臂有关。另一方面,在数字视频接口转换模块及其相连的线缆中,可以探测到150 MHz及其倍频频点的窄带噪声,由此可以确定150 MHz倍频噪声与视频信号传输有关。

5 整改措施

5.1 视频信号干扰源

对干扰源进行屏蔽处理,将数字视频接口转换模块放置在金属机箱内。箱体上的缝隙与屏蔽效能有很大关系[4],缝隙越小,金属机箱的屏蔽效能越高。为了提高壳体的屏蔽效能,对金属机箱的出风口进行蜂窝状处理,如图4所示。增加金属板接触面上的紧固件数量,提高接触表面的平整度。在金属壳体的出线处采用导电橡胶垫,利用导电橡胶材料良好的柔韧性,充分填充出线开孔缝隙,并且用导电衬垫来改善接触表面的接触性能。

图4 金属机箱蜂窝状处理

信号线选择带有屏蔽层的线缆[5],并且屏蔽层两端与金属导体完全接触。不完全屏蔽如图5所示,线缆屏蔽层两端与金属接头没有完全屏蔽,干扰信号从圈出部位向外辐射,对空间设备造成干扰。经整改后,线缆屏蔽层与金属接头连接方式如图6所示,实现屏蔽层与金属接口的360°端接,确保内部干扰信号不会向外泄漏。

图5 不完全屏蔽

图6 整改后线缆屏蔽层与金属接头连接方式

对干扰源做好屏蔽处理后,还需要对屏蔽体实现良好接地,这样才能使被屏蔽的噪声信号良好地流入大地,从而保护壳内电气件或线缆免于受干扰。为了减小壳体接地电阻值,将干扰源金属外壳与系统的接地点用尽量短的铜芯接地线短接,保证所有的金属外壳及支架可靠接地,避免采用出线搭接的方式。

5.2 机械臂

抑制机械臂轴关节干扰源辐射发射采取的措施是更换屏蔽性更佳的金属罩壳。不同材料的屏蔽性不同,从金属导电性、质量、加工工艺等多方面考虑,根据测试结果对比,最终选择铝合金材料制作金属罩壳。对表面导电喷漆处理的塑料罩壳和铝合金罩壳进行近场探测对比,实物如图7、图8所示,测试频谱截图如图9、图10所示。由此可见,铝合金罩壳屏蔽效果明显优于塑料罩壳,在60 MHz频点附近,辐射值可降低10 dB左右。

图7 喷导电漆塑料罩壳实物

图8 铝合金罩壳实物

图9 喷导电漆塑料罩壳测试频谱截图

图10 铝合金罩壳测试频谱截图

6 验证

整改后,手术机器人系统辐射发射测试结果如图11所示,符合YY 0505—2012标准要求。

图11 整改后手术机器人系统辐射发射测试结果

7 结束语

对手术机器人系统进行辐射发射测试,根据测试数据和系统电气结构分析,初步判断干扰源,并利用近场探头法实现定位。通过加强金属屏蔽、更换屏蔽线、优化接地系统等措施,完成了手术机器人系统辐射发射超标的整改,使辐射发射测试结果满足标准要求。除笔者介绍的方法外,适当添加磁环[6],合理布局走线也可以有效抑制辐射发射。