摘要：現(xiàn)今，采用機(jī)器人代替人類完成各種危險(xiǎn)的任務(wù)已經(jīng)成為一種趨勢。然而，機(jī)器人在高溫環(huán)境下的應(yīng)用受到熱控技術(shù)發(fā)展的嚴(yán)重制約。本文首先介紹了機(jī)器人內(nèi)部熱敏感器件及相應(yīng)的溫控研究工作，進(jìn)而對近年來機(jī)器人熱控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述與分析，最后對高溫環(huán)境下機(jī)器人熱防護(hù)的關(guān)鍵問題和技術(shù)應(yīng)用分別進(jìn)行了探討與展望。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；熱控；高溫；熱防護(hù)

隨著機(jī)器人用途的擴(kuò)大以及性能的提升，熱控問題成為阻礙機(jī)器人發(fā)展與實(shí)際應(yīng)用的問題之一。機(jī)器人能夠幫助人類完成生產(chǎn)自動(dòng)化、災(zāi)難救援、宇宙空間探測等任務(wù)。其中，各類應(yīng)急救援行動(dòng)更是對智能機(jī)器人有著迫切的需求，搜救、破拆、消防滅火等特種機(jī)器人的應(yīng)用是現(xiàn)代救援裝備的發(fā)展趨勢之一，受到政府與各大科研機(jī)構(gòu)的重視。

然而，作為一種智能機(jī)電設(shè)備，機(jī)器人包含許多對溫度敏感的器件，當(dāng)溫度超出這些器件合適的工作范圍，就會(huì)引發(fā)熱失控使機(jī)器人工作不穩(wěn)定甚至損壞。在 2011 年日本福島核事故救援行動(dòng)中，機(jī)器人 Quince 由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器過熱而自動(dòng)報(bào)停。同樣，在人類對金星的探索中，由于設(shè)備無法承受金星表面高溫高壓等惡劣環(huán)境，目前生存時(shí)間最長的Venera 13 著陸器也僅能存活 127min。

當(dāng)機(jī)器人需要被實(shí)際投放在應(yīng)急救援等工作中，由熱引起的機(jī)器人工作可靠性問題開始受到國內(nèi)外研究人員的關(guān)注。

一方面，這些工況經(jīng)常伴隨著惡劣的環(huán)境，如高溫、高濕、低溫、粉塵以及核輻射等，考驗(yàn)機(jī)器人的防護(hù)性能，對機(jī)器人的溫控非常不利；另一方面，面對實(shí)際應(yīng)用，機(jī)器人的機(jī)動(dòng)靈活性還需要得到大幅提高（目前救援機(jī)器人呆滯的機(jī)動(dòng)性導(dǎo)致實(shí)戰(zhàn)能力不強(qiáng)），未來更高功率密度的輸出、整機(jī)輕量化、結(jié)構(gòu)緊湊化等對散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)。

其中，高溫環(huán)境更是導(dǎo)致各類機(jī)器人的熱控難題的常見工況，直接限制了機(jī)器人在高溫環(huán)境下的應(yīng)用。合格的機(jī)器人熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)能保證機(jī)器人在高溫等惡劣條件下使用的可靠性，是拓展機(jī)器人的使用范圍、提高機(jī)器人的實(shí)戰(zhàn)性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。

本文根據(jù)已有機(jī)器人熱控相關(guān)文獻(xiàn)，首先從機(jī)器人熱控中應(yīng)關(guān)注的主要器件出發(fā)，以冷卻方式、防隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬為主要分類，介紹了各學(xué)者的相關(guān)研究，然后探討高溫環(huán)境下機(jī)器人熱控的關(guān)鍵技術(shù)與趨勢，為耐高溫環(huán)境機(jī)器人研究提供參考。

01

機(jī)器人的主要溫度敏感器件

機(jī)器人可分為機(jī)械部分與電氣部分。主要的機(jī)械結(jié)構(gòu)如機(jī)體、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等在溫度的變化下雖然會(huì)發(fā)生熱脹冷縮以及受到熱應(yīng)力的作用，但未造成機(jī)構(gòu)卡死，且對使用精度要求不高時(shí)，只要溫度低于結(jié)構(gòu)材料相變點(diǎn)，未嚴(yán)重影響材料力學(xué)性能，對機(jī)械結(jié)構(gòu)的溫控要求不高。

機(jī)械結(jié)構(gòu)更多的是通過合適的耐高溫材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，承擔(dān)耐熱與隔熱的作用。然而，各類電子器件、電機(jī)及電池等卻是對溫度敏感的器件，目前機(jī)器人熱控相關(guān)研究也主要集中在這些方面。

1.1 電子器件

機(jī)器人的控制系統(tǒng)中分布著大量的電子器件，如控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及各類的傳感器。電子器件受環(huán)境溫度與自身產(chǎn)熱的影響，當(dāng)散熱不良時(shí)有可能產(chǎn)生與溫度相關(guān)的機(jī)械失效（引線疲勞、芯片封裝斷裂、粘合點(diǎn)疲勞等）、腐蝕失效（金屬和鍵合點(diǎn)腐蝕、封裝應(yīng)力腐蝕）與電氣失效（熱逸潰、電過載、離子污染、電遷移）。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，隨著溫度的增加，電子元器件的失效率會(huì)呈指數(shù)增長，超過 55%的電子器件失效是由于溫度過高而引起。

表 1 列出了民用電子器件的最高結(jié)溫的一般規(guī)定，對于要求特別長壽命與低維護(hù)性的設(shè)備而言，平均結(jié)溫以低于 60℃為宜。

表 1 民用電子器件最高結(jié)溫一般規(guī)定

Gao 等通過改良機(jī)器人散熱熱沉的結(jié)構(gòu)與安裝方式，使電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的最高溫度減少了 25℃，保證了油井150℃環(huán)境下井牽機(jī)器人工作的安全性能。

1.2 電機(jī)

電機(jī)是大部分機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)提供動(dòng)力源，尤其對于仿人機(jī)器人來說，既要求高功率密度的輸出，又要求尺寸小、質(zhì)量輕，以保證機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性。電機(jī)由于機(jī)械摩擦、銅損、鐵損等，在運(yùn)行的過程中會(huì)產(chǎn)生熱量，若散熱不良溫升過高會(huì)影響絕緣壽命、運(yùn)行效率，極限工況下可能會(huì)造成磁性材料退磁、電機(jī)燒毀等現(xiàn)象，30%~40%的永磁電機(jī)因?yàn)檫^熱而失效。足夠的散熱能力不僅保證電機(jī)的安全運(yùn)行，還能突破電機(jī)出廠的額定的功率或轉(zhuǎn)矩限制，提升機(jī)器人的性能。

Mazumdar 等進(jìn)行了某機(jī)器人的電機(jī)外殼改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過暴露電機(jī)的背鐵，在氣隙中嵌入鋁環(huán)提高散熱性能。改進(jìn)后的電機(jī)在自然對流條件下較原來能夠提高 50%的散熱性能，采用風(fēng)扇冷卻時(shí)能提高 79%，若采用液冷則能提高 107%。其研究認(rèn)為，繞組溫度的降低不僅提高了電機(jī)運(yùn)行的安全可靠性，還能減少熱功耗，提高能效。

1.3 電池

電池通過將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能為機(jī)器人提供能量，特別對于移動(dòng)機(jī)器人來說，是不可缺少的一部分。電池在工作中會(huì)產(chǎn)生以焦耳熱與化學(xué)反應(yīng)熱為主的熱量，常見的鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等，最佳的工作溫度范圍在 20℃~45℃之間，且溫度均勻性需在 5℃以內(nèi)。在低溫條件下，電池內(nèi)部電阻會(huì)增大，放電容量會(huì)降低，影響機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性，更有甚者機(jī)器人將無法啟動(dòng)，此時(shí)需要采取對機(jī)器人加熱保溫的措施。

Cao 等使用PTC 加熱與鋁板均溫，使高山寒冷地區(qū)工作的機(jī)器人在-20℃環(huán)境下的放電容量能達(dá)到 20℃環(huán)境下的 93%，較沒有熱管理系統(tǒng)的電池能提高接近40%的放電容量，提高了機(jī)器人在寒冷環(huán)境工作的可靠性。而當(dāng)溫度過高時(shí)，不僅會(huì)影響電池壽命，還有可能產(chǎn)生燃燒、爆炸等危險(xiǎn)。由此可見，電池?zé)峁芾砑夹g(shù)，是保證移動(dòng)電動(dòng)設(shè)備性能與安全運(yùn)行的關(guān)鍵。

02

機(jī)器人熱控技術(shù)分類

2.1 冷卻技術(shù)

冷卻技術(shù)可以分為主動(dòng)冷卻與被動(dòng)冷卻。主動(dòng)冷卻需要耗能元件提供動(dòng)力，如風(fēng)扇、水泵等；被動(dòng)冷卻不需要額外的動(dòng)力元件，通過自然自發(fā)的散熱降溫，如自然散熱、相變材料冷卻等。

2.1.1 風(fēng)冷

風(fēng)冷設(shè)計(jì)簡單、成本低，工質(zhì)獲取便捷，是應(yīng)用最廣的冷卻方式。風(fēng)冷包括自然對流散熱與強(qiáng)迫風(fēng)冷兩種形式。自然對流散熱由流體受溫度影響導(dǎo)致的密度差引起，只適用于熱流密度不超過0.8W/cm2的器件散熱，而強(qiáng)迫風(fēng)冷空氣流動(dòng)強(qiáng)勁，散熱效果可達(dá)到自然散熱的 5-10 倍，應(yīng)用更為廣泛。

曹濤等利用風(fēng)扇冷卻結(jié)合隔熱層與熱輻射反射層復(fù)合熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，解決了變電站巡檢機(jī)器人在高溫環(huán)境下無法正常運(yùn)行的問題。

Noh 等提出了一種采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)同心堆疊式的模塊化驅(qū)動(dòng)器，利用單個(gè)風(fēng)扇就能冷卻串聯(lián)在一起的執(zhí)行器模塊，減少了冷卻組件，使該結(jié)構(gòu)具有高熱容低熱阻的特點(diǎn)，在強(qiáng)制風(fēng)冷條件下，該執(zhí)行器所能承受的最大施加電流可達(dá)到額定電流的 3 倍。

Akawung 等通過在電機(jī)轉(zhuǎn)子與外殼上設(shè)計(jì)通風(fēng)孔洞，利用電機(jī)本身轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)造成的壓差提供氣體流動(dòng)的動(dòng)力，節(jié)省了本該使用風(fēng)扇在機(jī)器人內(nèi)部占據(jù)的空間，降低了機(jī)器人的負(fù)載。

在滿足機(jī)器人的使用要求的前提下，風(fēng)冷是最經(jīng)濟(jì)可靠的散熱方法之一，普通工況下可盡可能的使用風(fēng)冷散熱。但風(fēng)冷散熱受環(huán)境溫度影響較大，且提高風(fēng)速會(huì)造成系統(tǒng)噪音增加。因而，風(fēng)冷設(shè)計(jì)時(shí)需要著重考慮風(fēng)機(jī)的選型與風(fēng)道的設(shè)計(jì)，合理的散熱結(jié)構(gòu)能減少風(fēng)扇的數(shù)量，從而降低機(jī)器人的故障率與噪聲。

圖 1 常見循環(huán)液冷系統(tǒng)

2.1.2 液冷

液體冷卻方式常見的有循環(huán)流動(dòng)式、浸沒式、噴射式。浸沒式與噴射式多屬直接接觸，在高功率密度電子器件散熱應(yīng)用較多。目前有關(guān)機(jī)器人散熱中最常見的液冷為間接接觸的循環(huán)液冷。典型的循環(huán)液冷如圖 1 所示，相較于風(fēng)冷，循環(huán)液冷在風(fēng)扇與熱源間增加了冷板、流體回路、泵和膨脹箱等設(shè)備，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。由于液體的導(dǎo)熱系數(shù)與熱容比氣體高，液冷可適用于更高熱流密度的場合。

Urata 等使用循環(huán)水冷為仿人機(jī)器人的電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器散熱，通過控制溫升，突破了電機(jī)原有的使用性能，輸入電流能提高 5 倍，在一項(xiàng)跳躍試驗(yàn)中，電機(jī)的輸出功率能達(dá)到額定功率的 7.5倍。液冷系統(tǒng)的水泵、儲液箱等多出的附件使得冷卻系統(tǒng)的質(zhì)量有很大的增加，對于質(zhì)量有要求的移動(dòng)機(jī)器人而言，需要權(quán)衡散熱能力與質(zhì)量所增加的負(fù)載。

液冷系統(tǒng)過小無法及時(shí)排走熱量，過大又會(huì)過于增加機(jī)器人的負(fù)載導(dǎo)致產(chǎn)生過多的熱量而降低液冷系統(tǒng)的冷卻效率。為減少機(jī)器人液冷系統(tǒng)質(zhì)量，Karng 等采用聚碳酸酯與鋁替代銅，使水冷板單位質(zhì)量的傳熱性能得到提升，從而降低了結(jié)構(gòu)的重量。

圖 2 螺旋循環(huán)水冷熱防護(hù)

上海交通大學(xué)的研究人員對托卡馬克腔內(nèi)高溫、真空、強(qiáng)磁與核輻射環(huán)境的內(nèi)窺機(jī)械臂，采用了水冷熱防護(hù)。其結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，將冷卻銅管纏繞在需要防護(hù)的相機(jī)、電機(jī)及其編碼器等組件與機(jī)械手外殼結(jié)構(gòu)之間，由管道中的冷卻水帶走高溫環(huán)境侵入的熱量以及自身元件產(chǎn)生的熱量，試驗(yàn)表明，機(jī)械臂能夠在 100℃環(huán)境溫度下正常工作。

機(jī)械臂的串聯(lián)結(jié)構(gòu)對末端負(fù)載有嚴(yán)格的要求，采用水冷雖然考驗(yàn)系統(tǒng)的附加質(zhì)量，連桿之間的不斷運(yùn)動(dòng)還要求冷卻管道需要有可靠的連接與密封，但卻是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在高溫環(huán)境下長期運(yùn)行的有效方法。

錢炳鋒等使用鋁為外殼設(shè)計(jì)了一個(gè)帶水冷系統(tǒng)的焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)光傳感器，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)流量，能夠應(yīng)對不同的環(huán)境溫度長時(shí)間工作。傳感器靠近焊縫，使用反射性能好的鋁為外殼以增大輻射熱阻可省去表面涂層的應(yīng)用，但鋁的導(dǎo)熱系數(shù)也高，需要權(quán)衡環(huán)境熱傳導(dǎo)侵入熱量的影響。當(dāng)需要進(jìn)一步提高循環(huán)液冷的散熱能力時(shí)，可在液體中加入高導(dǎo)熱系數(shù)的納米顆粒，或使用微通道冷板，或采用低沸點(diǎn)工質(zhì)進(jìn)行流動(dòng)沸騰換熱等方法。

2.1.3 相變冷卻

物質(zhì)發(fā)生相狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變時(shí)，需要吸收或釋放潛熱，可以在很小的溫度變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)很大的傳熱量。常見的有液氣相變（蒸發(fā)與冷凝）與固液相變（融化與凝固）。利用相變進(jìn)行冷卻的優(yōu)勢是材料自身吸收熱量，不需要環(huán)境提供額外的冷源，不受環(huán)境溫度的限制，同時(shí)還減少了主動(dòng)冷卻部件的能耗。

1）液氣相變

液氣相變吸熱是已知最有效的傳熱方式，如水蒸發(fā)時(shí)的吸熱量，理論上是溫升為 10℃的液體水吸熱量的 58 倍。

Hochberg 等直接將吸收滿液體的羊毛布套在經(jīng)改造電機(jī)的散熱片上，驗(yàn)證了液體蒸發(fā)在機(jī)器人電機(jī)上的冷卻效果，在機(jī)器人模擬RoboCup 比賽游戲的工況中，添加散熱片的電機(jī)在僅自然對流冷卻下較未改造電機(jī)可延長運(yùn)行時(shí)間3 分鐘，而加入蒸發(fā)冷卻后可以完成整場游戲而不過熱，且溫升降低了約 30℃。這樣的散熱設(shè)計(jì)重量較原來的電機(jī)僅重了 2%，但是沒有持續(xù)為散熱片補(bǔ)充水分的措施，只能保證一段時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定運(yùn)行。

日本東京大學(xué)研發(fā)出一款會(huì)“流汗”的仿人機(jī)器人“Kengoro”，其研究人員注意到仿人的“骨架”表面與內(nèi)部有充分的空間沒有得到利用，設(shè)計(jì)了一種雙層多孔骨骼結(jié)構(gòu)，電機(jī)直接安裝在這種骨架上，作為支撐件的同時(shí)，骨架內(nèi)部設(shè)計(jì)有冷卻水道與表面的微孔相連，水分可以通過毛細(xì)作用相變蒸發(fā)造成一種“發(fā)汗”的效果冷卻電機(jī)，發(fā)汗原理如圖 3 所示。

圖 3 “Kengoro”的流汗原理

同樣基于“流汗”蒸發(fā)降溫的思路，美國康奈爾大學(xué)的研究人員研發(fā)了一種能在高溫下自動(dòng)“出汗冷卻”的流體彈性體致動(dòng)器，3D 打印的手指狀致動(dòng)器由水凝膠制成，水凝膠上帶有隨溫度的變化自動(dòng)擴(kuò)張或收縮的微孔，高溫條件下，內(nèi)部液壓流體經(jīng)擴(kuò)張的微孔流出，通過蒸發(fā)吸收熱量，而當(dāng)溫度降低后，微孔則會(huì)收縮限制液體的流失。雖然這種散熱方案會(huì)造成液壓執(zhí)行器的效率降低與液壓工質(zhì)的流失，但為軟體機(jī)器人的彈性體材料導(dǎo)熱率低、散熱困難，提供了溫度調(diào)節(jié)方法。

圖 4 熱管結(jié)構(gòu)示意圖

上述利用蒸發(fā)帶走熱量的應(yīng)用雖然比較新穎，但存在著補(bǔ)液機(jī)制未完善或工質(zhì)泄露等不足。事實(shí)上，液氣相變中更常使用的是熱管。熱管由蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段組成，如圖 4 所示，通過蒸發(fā)與冷凝實(shí)現(xiàn)熱量的高效傳遞。熱管布置靈活，可將處在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間緊湊處的發(fā)熱元件熱量導(dǎo)出，再輔以其他方式散熱。

Lee 等研究了船體結(jié)構(gòu)中的焊接機(jī)器人暴露在由焊接產(chǎn)生的金屬粉塵和煙氣中的熱防護(hù)問題，將伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)置在密閉腔內(nèi)并使用熱管將熱量帶至外部散熱片進(jìn)行冷卻，同時(shí)使用壓縮空氣與風(fēng)扇對散熱片降溫，及時(shí)吹走可能沉積在翅片中的粉塵，防止因有效散熱面積減小造成的散熱效率降低。由于熱管冷凝段通常需要配以主動(dòng)冷卻方式，如風(fēng)扇冷卻，才能有效的把熱量排至環(huán)境，因此熱管的主要作用是傳熱而不是散熱，需要提供額外的冷源。

2）固液相變

固液相變冷卻無運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠，運(yùn)行和維護(hù)成本低，能夠較好解決短時(shí)或周期性高熱流的設(shè)備溫控問題。華東理工大學(xué)的韓延龍等人研究了核救災(zāi)機(jī)器人工作在高溫、高濕與核輻射環(huán)境下的電子設(shè)備熱防護(hù)問題，主要方法為使用相變材料石蠟制成儲熱冷板，作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等發(fā)熱元件的熱沉，通過融化吸收熱量；并在密封電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等電子器件的箱體結(jié)構(gòu)中也填入相變材料吸收來自環(huán)境的熱量，其實(shí)驗(yàn)示意與防護(hù)結(jié)構(gòu)如圖 5 所示，將隔熱與吸熱相輔，延長了機(jī)器人在惡劣環(huán)境下的工作時(shí)間。100℃環(huán)境溫度下，6個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可工作 164min，與常溫?zé)o熱防護(hù)相比能提高 1 倍以上工作時(shí)間。

圖 5 相變材料熱管理系統(tǒng)示意與實(shí)物

固液相變冷卻的弊端是，當(dāng)相變材料完全融化時(shí)，無法繼續(xù)散熱，設(shè)備溫度會(huì)快速升高。為了使相變材料能長時(shí)間工作，需要將固液相變冷卻與其他主動(dòng)冷卻方式結(jié)合在一起。

有研究人員采用熱管與相變材料相結(jié)合的方式對鋰電池進(jìn)行溫控，電池的熱量先經(jīng)由熱管再傳至相變材料，實(shí)現(xiàn)相變材料與電池的分離，當(dāng)相變材料耗盡，系統(tǒng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)額外的風(fēng)扇制冷。將相變材料與被溫控器件分離的好處是，即使材料完全融化，器件周圍的空間還有一定的散熱能力，可降低設(shè)備燒毀的風(fēng)險(xiǎn)。

類似的，也可將相變材料與水冷結(jié)合，相變材料能起到降低能耗與熱緩沖的作用，而水冷又可提供長時(shí)間的大量散熱，防止相變材料完全融化而喪失冷卻能力。而對于相變材料與空氣冷卻結(jié)合的情況，有研究表明，需要當(dāng)對流換熱系數(shù)處于一定范圍時(shí)，混合的散熱器才能夠優(yōu)于純相變材料或純空氣冷卻。

雖然主動(dòng)冷卻方式的配合使用能延長相變材料的溫控時(shí)間，但這意味著需要環(huán)境提供冷源，高溫環(huán)境下并不適用。

2.2 產(chǎn)熱控制與優(yōu)化

產(chǎn)熱的控制與優(yōu)化從熱量產(chǎn)生的源頭考慮機(jī)器人的溫控。一是系統(tǒng)監(jiān)控溫度，判斷將要發(fā)生過熱時(shí)，設(shè)法控制機(jī)器人的功率輸出（例如使機(jī)器人“慢”下來），防止過熱發(fā)生不可逆的損壞。二是通過優(yōu)化機(jī)器人的姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)、移動(dòng)路徑或者優(yōu)化部件結(jié)構(gòu)等，盡可能減小功率元件的熱耗，減輕下游冷卻系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。

Moore 等提出一種“溫度感知操作”的概念，通過熱模型預(yù)測當(dāng)前操作規(guī)劃下機(jī)器人將要達(dá)到的溫度，從而提醒操作人員或機(jī)器人自主系統(tǒng)重新規(guī)劃操作或采取措施來防止過熱。該模型能夠預(yù)測 20min 內(nèi)的系統(tǒng)溫度，并且精度能夠達(dá)到 4℃以內(nèi)。

Heller 等采用閉環(huán)控制，根據(jù)電機(jī)與環(huán)境的溫度，控制液冷泵的輸出功率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速來影響產(chǎn)熱，使機(jī)器人在惡劣環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間超過對應(yīng)的開環(huán)控制系統(tǒng)且不發(fā)生過熱。在散熱困難的惡劣環(huán)境下，冷卻系統(tǒng)自身的功耗對于機(jī)器人溫控來說也是一種負(fù)擔(dān)，閉環(huán)反饋能夠優(yōu)化這種功耗。

為了實(shí)現(xiàn)不斷電狀態(tài)下仿人機(jī)器人的快速熱恢復(fù)，Jorgensen 等通過構(gòu)建機(jī)器人姿態(tài)、產(chǎn)熱、溫升之間的模型，研究了機(jī)器人最快實(shí)現(xiàn)熱恢復(fù)的姿態(tài)問題。實(shí)驗(yàn)表明，其算法在機(jī)器人一只腿部溫度升至危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，能夠調(diào)整機(jī)器人至一最佳姿態(tài)，使該腿部較傳統(tǒng)姿態(tài)更快速的降溫。

在結(jié)構(gòu)方面，孫敬颋等以溫升為目標(biāo)函數(shù)，采用遺傳算法對空間機(jī)械臂制動(dòng)器線圈的導(dǎo)線直徑與線圈匝數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果其線圈溫升降低了約 20℃，減少了線圈發(fā)熱對機(jī)械臂長期工作的影響。

從以上文獻(xiàn)能夠看出，產(chǎn)熱的控制與優(yōu)化能夠同時(shí)兼顧溫控與節(jié)能。對于高溫等環(huán)境下有溫控時(shí)間限制的機(jī)器人來說，如果能夠降低產(chǎn)熱，可以減緩機(jī)器人內(nèi)部熱容的吸熱過程，一定程度上延長操作時(shí)間。

2.3 熱防護(hù)結(jié)構(gòu)

熱防護(hù)結(jié)構(gòu)考慮的是高溫環(huán)境下設(shè)備的耐熱與隔熱的能力，在航空航天領(lǐng)域有成熟的發(fā)展，一些概念與設(shè)計(jì)思路可以借鑒至高溫環(huán)境下機(jī)器人的防熱結(jié)構(gòu)中運(yùn)用。

2.3.1 隔熱式結(jié)構(gòu)

隔熱式結(jié)構(gòu)利用隔熱材料（導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.08W/(m·K)），阻隔環(huán)境熱量對機(jī)器人的侵入。傳統(tǒng)隔熱材料有陶瓷纖維隔熱氈、軟木、石棉等，新型隔熱材料有氣凝膠、真空絕熱板等。陶瓷隔熱氈的耐高溫性能好，使用溫度可達(dá) 1260℃；氣凝膠導(dǎo)熱系數(shù)更低，常溫為 0.015W/(m·K)，但耐溫性較差（＜650℃）。

真空絕熱板導(dǎo)熱系數(shù)能低至 0.0015W/(m·K)，在同等隔熱效果下，厚度僅為傳統(tǒng)材料的十分之一，能夠節(jié)省空間，是十分高效的隔熱材料，但使用溫度范圍僅在-50℃~70℃。

由于外界高溫與內(nèi)部溫度的要求，需要隔熱層產(chǎn)生大范圍的溫降，不同隔熱材料耐高溫性能不同，一般將不同溫度區(qū)間的優(yōu)勢材料組合使用。隔熱材料從固體導(dǎo)熱角度阻礙熱流，對于輻射傳熱則可以通過運(yùn)用合適的熱控涂層來調(diào)整表面的熱輻射性質(zhì)進(jìn)行溫控。

Alhaza 等在一室內(nèi)消防救援機(jī)器人中提出多層隔熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，最外層的銀涂層負(fù)責(zé)反射高溫環(huán)境的熱輻射，能減少 50%的熱量；第二層鋁板負(fù)責(zé)承受載荷；第三層為導(dǎo)熱系數(shù)低的不可燃材料；第四層為空氣，空氣導(dǎo)熱系數(shù)低，抑制其對流時(shí)可視為絕熱材料；第五層為一種隔熱板；綜合效果能使機(jī)器人在 700℃的環(huán)境下承受 60min。

雖然氣凝膠、隔熱氈等隔熱材料具有極低的熱導(dǎo)率和密度，可以實(shí)現(xiàn)輕量化的結(jié)構(gòu)，但力學(xué)性能差，無法單獨(dú)作為外防熱結(jié)構(gòu)，需要有額外的承載件。隔熱結(jié)構(gòu)抵御了外界的高溫，而內(nèi)部產(chǎn)熱器件的溫控方法在 Alhaza 的文章中并未介紹，采取合適的散熱技術(shù)應(yīng)能使機(jī)器人的工作時(shí)間延長。

2.3.2 吸熱式結(jié)構(gòu)

隔熱結(jié)構(gòu)不能實(shí)現(xiàn)對熱流的完全阻隔，且在材料拼接或連接固定處存在熱短路效應(yīng)。而吸熱式結(jié)構(gòu)同時(shí)利用材料的熱容吸收熱量，能夠進(jìn)一步減少熱量的流入。熱量可分別通過顯熱與潛熱存儲。

顯熱存儲要求材料比熱容大、導(dǎo)熱率高，如鈹、銅、石墨等，由于熱量的吸收與質(zhì)量成正比，顯熱存儲在結(jié)構(gòu)輕量化上存在不足，不推薦使用。潛熱存儲涉及材料的固液相變，由于材料相變時(shí)會(huì)吸收大量的潛熱，相變材料在儲能和溫控領(lǐng)域已有廣泛的應(yīng)用，將相變材料與熱防護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合也成為一種趨勢。

韓延龍?jiān)诤司葹?zāi)機(jī)器人的電子元件密封腔框架中填入相變材料石蠟，通過融化吸熱減少了環(huán)境熱量的入侵。利用吸熱式結(jié)構(gòu)的放熱過程，還能夠?qū)Φ蜏丨h(huán)境器件進(jìn)行隔熱保溫。

趙帥在低溫冷庫巡檢機(jī)器人的溫控系統(tǒng)中使用了真空隔熱瓦減少熱量流失，并輔以相變材料凝固放熱及主動(dòng)電加熱使得機(jī)器人能在低溫環(huán)境下可靠運(yùn)行。

2.3.3 一體化結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)采用冷、熱分開式的設(shè)計(jì)，熱結(jié)構(gòu)阻隔熱流而承載性能不足，冷結(jié)構(gòu)承受載荷但隔熱性能較差，冷、熱結(jié)構(gòu)僅實(shí)現(xiàn)單一功能，結(jié)構(gòu)效率低。夾層結(jié)構(gòu)比強(qiáng)度、比剛度高，抗沖擊性能好，常見的有波紋夾芯結(jié)構(gòu)、蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)、皺褶夾芯結(jié)構(gòu)等，如圖 6 所示，在夾芯與面板之間填充隔熱材料，可實(shí)現(xiàn)防熱/承載一體化設(shè)計(jì)。

圖 6 一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)

由于夾芯結(jié)構(gòu)腹板處有明顯的熱短路效應(yīng)，為了提高防熱性能，夾芯結(jié)構(gòu)需要加厚隔熱層或做其余改善，如鏤空腹板、多層級腹板、結(jié)合相變材料吸熱等方式。一體化結(jié)構(gòu)較于普通平板結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能更優(yōu)，隔熱性能更佳，空間利用率高，且更輕量化，在一些高溫設(shè)備的外殼防護(hù)結(jié)構(gòu)上有良好的應(yīng)用前景。

2.4 數(shù)值模擬的應(yīng)用

傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)采用樣機(jī)測試與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算方法，不僅完全依賴于工程師的經(jīng)驗(yàn)，且后續(xù)的產(chǎn)品優(yōu)化需通過多次的樣機(jī)測試與調(diào)整，經(jīng)驗(yàn)依賴性大、開發(fā)周期長、成本高。

通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬進(jìn)行熱仿真，可無實(shí)物對熱設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬驗(yàn)證 ，并根據(jù)圖像化界面能對整體溫度分布有直觀清晰的把握。如圖 7 為空間機(jī)械臂的熱仿真分析圖像，能夠?yàn)闊嵩囼?yàn)做先期指導(dǎo)，再結(jié)合熱試驗(yàn)驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)的合理性。

圖 7 空間機(jī)械臂熱分析圖像

利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行熱仿真，可直接對不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試錯(cuò)，降低理論分析門檻，便于非專業(yè)的熱設(shè)計(jì)工程師得出滿足要求的方案。Kannan 等運(yùn)用 FloTHERM 對四足機(jī)器人內(nèi)部 12 個(gè)電機(jī)控制器的散熱進(jìn)行了研究，通過改變控制器的布局與風(fēng)扇配置來尋找合適的散熱設(shè)計(jì)，合理的方案較不合理的方案可減少 73℃的溫升，并使溫度分布更均勻。

由于數(shù)值模擬是虛擬仿真，不像試驗(yàn)測試那樣需要具體的實(shí)物與復(fù)雜的操作，所以仿真分析可降低試驗(yàn)成本與工作量。

為了優(yōu)化某工業(yè)機(jī)器人控制器內(nèi)原有的散熱翅片，Matysiak 等用 Fluent 軟件進(jìn)行仿真分析，通過嘗試不同的翅片數(shù)量、翅片高度，風(fēng)機(jī)是鼓風(fēng)或是抽風(fēng)，改變空氣出入口的位置，得到了關(guān)于優(yōu)化尺寸或是優(yōu)化散熱的結(jié)果。

在其仿真算例結(jié)果中，維持原有的散熱能力條件下，能減少 37%~47%的散熱器體積；當(dāng)僅改變翅片數(shù)目與高度時(shí)，溫度能夠下降 26%~30%；而風(fēng)扇模式與出入口位置也變化時(shí)，溫度能夠下降38%~42%。

呂遙等利用 Fluent 軟件對液壓外骨骼機(jī)器人不同的油箱結(jié)構(gòu)散熱進(jìn)行仿真，并在油箱外增加翅片來擴(kuò)展散熱面積，達(dá)到了不增加油箱質(zhì)量的條件下，增強(qiáng)液壓油散熱的目的。

一些實(shí)際問題情況復(fù)雜，難以進(jìn)行分析求解，計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理與計(jì)算能力便于處理復(fù)雜問題。謝戈輝等使用 fluent 仿真分析了焦?fàn)t測溫機(jī)器人在高溫氣流下的防護(hù)問題，通過設(shè)計(jì)冷卻風(fēng)道，采用大風(fēng)吹散高溫氣流的思路，使機(jī)器人底部高溫區(qū)域從 61.09%下降至 10.88%，平均溫度下降22.04%，且通過試驗(yàn)驗(yàn)證了風(fēng)道設(shè)計(jì)的合理性。

隨著計(jì)算機(jī)算力的不斷提高，流動(dòng)與傳熱模擬的準(zhǔn)確性不斷增強(qiáng)，數(shù)值模擬在熱控設(shè)計(jì)過程已經(jīng)起著十分重要的作用，通過仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合，熱設(shè)計(jì)過程能夠更經(jīng)濟(jì)與便捷。

03

高溫環(huán)境機(jī)器人熱控的問題與展望

3.1 關(guān)鍵問題

高溫環(huán)境直接導(dǎo)致熱控難題，又有迫切需要機(jī)器人應(yīng)用的需求，如核操作、核救災(zāi)機(jī)器人，消防救援機(jī)器人，空天探測機(jī)器人，高溫車間或設(shè)備的維護(hù)等等。高溫環(huán)境給熱設(shè)計(jì)帶來了難題。

1）熱量的隔絕與散發(fā)之間的矛盾

因?yàn)楦邷丨h(huán)境的熱量會(huì)自發(fā)的通過熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射傳遞給機(jī)器人，所以必須要采用隔熱措施對機(jī)器人進(jìn)行熱防護(hù)。然而這種熱流阻隔是雙向的，在阻隔環(huán)境熱流侵入的同時(shí)，機(jī)器人內(nèi)部自身的產(chǎn)熱也無法對外排放，造成了機(jī)器人隔熱與散熱的矛盾。

當(dāng)高溫環(huán)境僅在有限的且固定的較小空間中時(shí)，可通過類似上海交大研發(fā)的托卡馬克內(nèi)窺機(jī)械臂一樣，利用循環(huán)的冷媒將熱量從高溫環(huán)境帶至低溫環(huán)境排放。而當(dāng)高溫環(huán)境范圍大，機(jī)器人又屬于移動(dòng)型時(shí)，采用循環(huán)冷卻的方法則并不合適。

就目前已有的熱控方法中，采用相變材料吸熱儲能，將熱量封存在機(jī)器人內(nèi)部，待機(jī)器人回到低溫環(huán)境再對外排放熱量是一種行之有效的方法。

在這方面，選擇合適的相變材料，研制潛熱更大、性能更穩(wěn)定的相變材料是關(guān)鍵。然而使用這種溫控方式的時(shí)候，機(jī)器人的工作時(shí)間必然是有限制的。

2）熱路的適時(shí)打開與切斷

熱防護(hù)結(jié)構(gòu)理論上隔絕了機(jī)器人內(nèi)部與外部環(huán)境的熱量交換，在高溫環(huán)境中能起到防護(hù)作用，而當(dāng)機(jī)器人回到常溫環(huán)境工作時(shí)，若內(nèi)部器件的溫控方式與高溫環(huán)境下一樣（如使用相變材料吸熱），那么機(jī)器人在常溫環(huán)境下也有運(yùn)行時(shí)間限制，溫控效率太低。

華東理工研究的核救災(zāi)機(jī)器人相變溫控時(shí)間約 3h，從常溫區(qū)進(jìn)入高溫區(qū)需要20 min~30 min，往返則需要 40 min~60 min，有大量的溫控時(shí)間浪費(fèi)在了常溫區(qū)。

如何實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主調(diào)節(jié)溫控要求，即在常溫環(huán)境能打開與外界環(huán)境的熱交換，排出熱量，而當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入高溫環(huán)境時(shí)，自動(dòng)切斷熱流，隔絕環(huán)境高溫，是提高與完善高溫環(huán)境機(jī)器人熱控的關(guān)鍵問題之一。

3）材料的耐高溫能力

當(dāng)環(huán)境的溫度特別高，如需要長時(shí)間在火場內(nèi)工作的消防救援機(jī)器人，那么就不能不考慮材料的耐高溫能力。圖 8 為北京力升高科有限公司研發(fā)的高溫消防機(jī)器人，能在 1000℃高溫環(huán)境下工作30min 以上。

圖 8 耐高溫消防機(jī)器人

在如此高的溫度下，材料發(fā)生的熱變形可能導(dǎo)致機(jī)構(gòu)的卡死或一些關(guān)鍵部件（如軸承、液壓機(jī)構(gòu)等）的損壞。且金屬材料達(dá)到一定的溫度，就會(huì)發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，改變材料的力學(xué)性能。

由于在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，不像在熱處理車間中能夠?qū)囟扰c時(shí)間進(jìn)行控制，材料的強(qiáng)度、韌性、剛度等力學(xué)性能可能會(huì)變差。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)合理的間隙預(yù)留，材料的高溫穩(wěn)定性、抗高溫疲勞能力是高溫環(huán)境機(jī)器人外部機(jī)構(gòu)可靠工作的關(guān)鍵。

4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)至電機(jī)的防隔熱問題

機(jī)器人在高溫環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)，由于必須保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)的空間運(yùn)動(dòng)性能，這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)必然會(huì)被暴露在高溫環(huán)境中無法使用隔熱結(jié)構(gòu)覆蓋，如車輪、履帶、抓手或工作臂等。

這些機(jī)構(gòu)可以本體采用耐高溫材料設(shè)計(jì)，但必須通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與電機(jī)接觸相連，容易產(chǎn)生高效的熱通路，使環(huán)境熱量沿著傳動(dòng)機(jī)構(gòu)侵入隔熱系統(tǒng)對電機(jī)及內(nèi)部器件產(chǎn)生影響。如何減少從這些機(jī)構(gòu)傳至內(nèi)部電機(jī)的熱量，且同時(shí)保證電機(jī)動(dòng)力輸出的效率與可靠性是對電機(jī)防護(hù)的關(guān)鍵。

3.2 耐高溫機(jī)器人熱控技術(shù)的展望

隨著技術(shù)的發(fā)展與高溫環(huán)境需求的不斷增強(qiáng)，機(jī)器人耐高溫工作的能力必將不斷提高。通過前文的總結(jié)分析本文認(rèn)為高溫環(huán)境機(jī)器人熱控技術(shù)的發(fā)展會(huì)有以下趨勢：

1）相變?yōu)橹鞯睦鋮s技術(shù)的應(yīng)用

相變散熱在電子器件、鋰電池?zé)峁芾淼认嚓P(guān)領(lǐng)域有大量的研究，被認(rèn)為是具有良好應(yīng)用前景的溫控技術(shù)。由于相變是自發(fā)的被動(dòng)過程，能夠不依賴環(huán)境溫度通過儲熱達(dá)到散熱效果，尤其適合用于處理高溫設(shè)備散熱與隔熱之間的矛盾。對固液相變材料而言，還普遍存在著導(dǎo)熱系數(shù)低、相分離、過冷以及需要長時(shí)間放熱凝固恢復(fù)儲熱能力等問題。

儲熱裝置的研究需要聚焦在復(fù)合導(dǎo)熱率的提高、快速放熱或儲熱模塊快速更換等方面。對于液氣相變，采用消耗型方法，理論上應(yīng)能比固液相變表現(xiàn)出更好的溫控性能，且在工質(zhì)完全消耗后可直接補(bǔ)充，能更方便的解決熱恢復(fù)問題。

但在實(shí)際應(yīng)用中除了解決泄露問題外，還需注意蒸氣排散途徑與隔熱間的關(guān)系，以及可能的體積劇烈變化引發(fā)的安全問題。另一方面，由于純相變溫控時(shí)間有限的局限性，相變材料與其余主動(dòng)冷卻方式相結(jié)合的研究將不斷增強(qiáng)。

2）真空絕熱為主的隔熱技術(shù)的應(yīng)用

當(dāng)環(huán)境溫度上升到幾百甚至上千攝氏度，現(xiàn)有的隔熱材料在機(jī)器人這種較小尺度設(shè)備上已經(jīng)無法有效的解決隔熱問題。通過抽真空的方式，能夠最大程度的減少熱傳導(dǎo)與熱對流，再通過多層反射屏能夠?qū)訉訙p少輻射熱流。

商博峰在測井儀器中應(yīng)用該技術(shù)，使其在 200℃環(huán)境中具有良好隔熱效果，等效導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到了 0.0007 W/(m·K)，這是現(xiàn)今任何隔熱材料都無法比擬的。在整體隔熱達(dá)標(biāo)的同時(shí)，為保證結(jié)構(gòu)的剛度以及減少結(jié)構(gòu)拼接處的漏熱，夾芯結(jié)構(gòu)與相變材料吸熱輔助減少熱流的應(yīng)用具有良好的前景。

3）熱二極管與熱開關(guān)等裝置的應(yīng)用

熱二極管即單向傳熱裝置或熱開關(guān)可以解決高溫與常溫不同散熱方式的要求，常溫環(huán)境下內(nèi)部器件通過此裝置散熱，當(dāng)環(huán)境高溫時(shí)切斷該熱流路徑阻隔外界高溫。如兩相流回路熱管可在環(huán)境低溫時(shí)實(shí)現(xiàn)液氣相變的循環(huán)，而在環(huán)境高溫時(shí)中斷流動(dòng)過程，因?yàn)檎魵鈱?dǎo)熱系數(shù)低與熱管管壁薄，導(dǎo)熱截面極小，可看成熱路被切斷，從而實(shí)現(xiàn)單向傳熱。

而熱開關(guān)則可通過主動(dòng)驅(qū)動(dòng)（磁、電等）或被動(dòng)驅(qū)動(dòng)（材料的熱膨脹、熱磁效應(yīng)、記憶合金等）的方法實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱面的接觸與分離或其它傳熱方式的連接與斷開。目前這類裝置在航天領(lǐng)域得到應(yīng)用，工作溫度與傳/隔熱能力存在一定的范圍，對于高溫環(huán)境下的應(yīng)用還需要探索和研究。

04

結(jié)論

綜上所述，機(jī)器人內(nèi)部存在著電子元器件、電機(jī)、電池為主的溫度敏感器件。常見冷卻方式以自然散熱、強(qiáng)迫風(fēng)冷、循環(huán)液冷為主。普通工況采用自然散熱即可，對于高功率工況可采用強(qiáng)迫風(fēng)冷或是循環(huán)液冷。當(dāng)機(jī)器人在極端環(huán)境或工況下，常規(guī)散熱技術(shù)將難以滿足需求，存在熱控設(shè)計(jì)難點(diǎn)與應(yīng)用限制。雖然目前在這方面的研究已經(jīng)有一定進(jìn)展，但還需要更多的探索。

不同的高溫環(huán)境應(yīng)用都具有其特殊性，普遍上都需要具備良好的隔熱防護(hù)，解決外部隔熱與內(nèi)部器件散熱的矛盾、熱路的適時(shí)打開與切斷、暴露在環(huán)境中材料的耐高溫能力、執(zhí)行機(jī)構(gòu)至電機(jī)的防隔熱等關(guān)鍵問題。

相變冷卻技術(shù)傳熱量大，在散熱與隔熱方面都能有所作為。一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)較普通鈑金結(jié)構(gòu)有更優(yōu)的抗沖擊性與隔熱性，多層真空絕熱技術(shù)能夠最有效的阻隔熱流傳遞。

熱二極管與熱開關(guān)等裝置或能夠較好地解決不同環(huán)境散熱的調(diào)節(jié)問題。耐高溫環(huán)境機(jī)器人的研究對推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展有重要作用。應(yīng)急救援、高溫環(huán)境生產(chǎn)與高溫特種設(shè)備維護(hù)等不斷增加的現(xiàn)實(shí)需求也為高溫環(huán)境機(jī)器人的發(fā)展提供了機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

來源|機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，中國知網(wǎng)作者 |高立龍1，陳嵩2，鄭耿峰1,2*單位 |1.福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院；2.福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院原文 |DOI: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220285參考文獻(xiàn)略