CN105719716B - 一种减轻耐辐射机器人屏蔽重量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种减轻耐辐射机器人屏蔽重量的方法，包括以下步骤：首先，将所述机器人控制系统中多个电子元器件根据自身固有的耐辐射性能进行模块化设计；其次，将辐射敏感的电子元器件集中布置在一块核心电路板上；然后，对所述核心电路板通过屏蔽体进行单独屏蔽；最后，将所述屏蔽体及所述核心电路板安装在机器人本体结构内部。采用本发明的方法，能够减轻耐辐射机器人屏蔽重量，从而提高了机器人控制的灵活性和工作现场的可达性。

Description

一种减轻耐辐射机器人屏蔽重量的方法

技术领域

本发明属于核辐射技术领域，涉及用于强辐射场的耐辐射机器人，具体涉及一种减轻耐辐射机器人屏蔽重量的方法，尤其是应用于强辐射场的核工业机器人。

背景技术

耐辐射性能是核工业机器人区别于其他类型机器人的重要特征。影响机器人耐辐射能力的主要因素是电子学器件以及高分子材料的辐射敏感性，尤其是大规模集成芯片。要提高机器人在强辐射环境中的存活能力，目前主要有两种思路：一是采用抗辐射加固的材料或器件，从元器件水平提高机器人的本质耐辐射性能；二是通过硬件或软件的优化设计，从系统或整机角度提升其存活能力。

我国现有的技术和工艺能力还难以解决大规模集成芯片的辐射加固问题。因此，目前更多的是通过软、硬件的优化设计来提高机器人的耐辐射能力。但这种思路往往需要大量的附加屏蔽，会增加机器人的自重，影响机器人的控制灵活性以及工作现场的可达性。

为了在保证机器人耐辐射性能的前提下，尽可能提高机器人的灵活性，本专利提出了一种减轻耐辐射机器人屏蔽重量的设计方法。该方法在电路原理设计中就优先考虑耐辐射性能的要求，放弃以系统功能为主要考虑因素的传统设计原则，由此来简化硬件电路。基于该方法设计的一种耐辐射机器人，总质量为103kg(包括云台和电池)，可以在100Gy/h的辐射场中工作。

决定机器人耐辐射性能的关键因素是电子线路中电子元器件和芯片的辐射敏感性，尤其是大规模集成芯片。普通大规模集成芯片的辐射损伤剂量通常在几到几十Gy，裸露在100Gy/h的辐射环境中在几到十几分钟之内就会失效。在不得不使用大规模集成芯片的情况下，只能对芯片采取附加屏蔽措施来提供耐辐射性能。为了减小附加屏蔽重量，除了采用器件筛选等通用或公知方法外，本专利还提出了一种优化设计方法。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种减轻耐辐射机器人屏蔽体重量的方法，保证该机器人在耐辐射性能的前提下，能够减轻机器人的屏蔽重量，从而提高机器人控制的灵活性和工作现场的可达性。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：提供一种减轻耐辐射机器人屏蔽重量的方法，包括以下步骤：首先，将机器人控制系统中多个电子元器件根据自身固有的耐辐射性能进行模块化设计；其次，将辐射敏感的电子元器件集中布置在一块核心电路板上；然后，对所述核心电路板通过屏蔽体进行单独屏蔽；最后，将所述屏蔽体及所述核心电路板安装在机器人本体结构内部。

进一步，所述核心电路板采用低功耗、体积小、集成度高的嵌入式的核心电路板。

进一步，所述屏蔽体包括上、下两部分，所述上、下两部分均为实心结构，所述下部分屏蔽体的上表面设有凹槽，所述核心电路板设置在所述凹槽内。

进一步，所述下部分屏蔽体上表面还设有用于布置电线的线槽。

进一步，所述屏蔽体采用原子序数大以及密度大的钨作为屏蔽材料。

进一步，所述屏蔽体的厚度为30mm。

进一步，所述屏蔽体的上下两部分通过螺栓连接。

进一步，所述核心电路板的尺寸为37mm×42mm。

本发明的有益技术效果在于：

(1)本发明根据电子元器件固有的耐辐射性能，将微处理器等辐射敏感的电子元器件集中布置在一块核心电路板上，只需对该核心电路板进行单独屏蔽，从而减轻机器人的屏蔽重量，提高机器人控制的灵活性和工作现场的可达性；

(2)本发明的屏蔽体结构简单，制作容易；

(3)本发明采用原子序数高、密度大的钨作为屏蔽材料，屏蔽体的厚度只需30mm，便能够提供足够的屏蔽。

附图说明

图1是本发明屏蔽体的结构示意图。

图中：

1-下部屏蔽体 2-凹槽 3-线槽

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

本发明提供的一种减轻耐辐射机器人屏蔽重量的方法，该方法的核心思想是放弃以系统功能为主要考虑因素的传统设计原则，通过减小需要屏蔽的硬件电路尺寸来减轻屏蔽重量。该方法包括如下步骤：

1)将机器人控制系统中的多个电子元器件进行模块化设计，但不以系统功能作为模块划分依据；而是根据电子元器件固有耐辐射性能，将辐射敏感电子元器件集中布置在一块核心电路板上。只需要对该块核心电路板进行单独屏蔽，无需对每个敏感电子元器件单独进行屏蔽。通过该种方法减轻机器人所需的屏蔽重量，从而提高了机器人控制的灵活性和工作现场的可达性。

2)核心电路板的体积是决定屏蔽重量的主要因素之一，为了尽量减小核心电路板尺寸，采取以下设计方法：采用低功耗、体积小、集成度高的嵌入式核心电路板，这样减少辅助器件的数量；另外，采用串行总线结构，简化核心电路；通过软件功能来代替部分硬件电路；核心电路板设计为正方形结构。由此，通过上述方法，核心电路板的最终尺寸为37mm×42mm。

3)将核心电路板设置在屏蔽体内进行屏蔽，该屏蔽体采用钨作为屏蔽材料。钨的原子序数高、密度大，与不锈钢、铜等材料相比，对γ射线的衰减作用更大，由此屏蔽重量则更小；利用蒙特卡罗方法模拟计算得到，30mm厚的钨能够为核心电路板提供足够的屏蔽。为了便于核心电路板安装，屏蔽体设计由上下两部分构成，上下两部分通过螺栓进行固定连接；上半部为实心长方体结构，下半部为带有凹槽和线槽的长方体结构。如图1所示，是下部屏蔽体的结构示意图，核心电路板置于下部屏蔽体1的凹槽2内，与外部电路的连接线安置在线槽3内。这种设计可尽量减小屏蔽体上下部分之间的间隙，避免核心电路板受到来自结合部位的泄露射线的照射。

4)将机器人核心电路板及屏蔽体安置在机器人本体结构的内部，使机器人的其他机械或驱动结构既可以作为功能构件，又可以为辐射敏感电路提供一定的屏蔽作用。

基于以上设计方法，可以在保证机器人耐辐射性能的同时，尽可能减轻附加屏蔽的重量，有利于机器人的控制灵活性；由此设计的一种耐辐射机器人，总质量只有103kg(包括云台和电池)，可以在100Gy/h的γ辐射场中工作。

需要说明的是，减轻耐辐射机器人屏蔽重量的方法，应尽量选择中小规模集成电路和分立元件，依靠其固有的耐辐射能力，避免附加屏蔽的使用，只有在不得不使用大规模芯片的情况下，才采取屏蔽措施。

本发明的减轻耐辐射机器人屏蔽重量的方法，并不限于上述具体实施方式，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (7)

1.一种减轻耐辐射机器人屏蔽重量的方法，包括以下步骤：首先，将机器人控制系统中多个电子元器件根据自身固有的耐辐射性能进行模块化设计；其次，将辐射敏感的电子元器件集中布置在一块核心电路板上；然后，对所述核心电路板通过屏蔽体进行单独屏蔽；最后，将所述屏蔽体及所述核心电路板安装在机器人本体结构内部。

2.如权利要求1所述的一种减轻耐辐射机器人屏蔽重量的方法，其特征是：所述核心电路板采用低功耗、体积小、集成度高的嵌入式的核心电路板。

3.如权利要求2所述的一种减轻耐辐射机器人屏蔽重量的方法，其特征是：所述屏蔽体包括上、下两部分，所述上、下两部分均为实心结构，下部分屏蔽体的上表面设有凹槽，所述核心电路板设置在所述凹槽内。

4.如权利要求3所述的一种减轻耐辐射机器人屏蔽重量的方法，其特征是：所述下部分屏蔽体上表面还设有用于布置电线的线槽。

5.如权利要求4所述的一种减轻耐辐射机器人屏蔽重量的方法，其特征是：所述屏蔽体采用原子序数大以及密度大的钨作为屏蔽材料。

6.如权利要求5所述的一种减轻耐辐射机器人屏蔽重量的方法，其特征是：所述屏蔽体的上下两部分通过螺栓连接。

7.如权利要求1-6任一项所述的一种减轻耐辐射机器人屏蔽重量的方法，其特征是：所述核心电路板的尺寸为37mm×42mm。