機器人熱控技術研究現(xiàn)狀綜述

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

關鍵詞：機器人；熱控；高溫；熱防護

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

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

當機器人需要被實際投放在應急救援等工作中，由熱引起的機器人工作可靠性問題開始受到國內(nèi)外研究人員的關注。

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，考驗機器人的防護性能，對機器人的溫控非常不利；另一方面，面對實際應用，機器人的機動靈活性還需要得到大幅提高（目前救援機器人呆滯的機動性導致實戰(zhàn)能力不強），未來更高功率密度的輸出、整機輕量化、結(jié)構緊湊化等對散熱系統(tǒng)的設計帶來挑戰(zhàn)。

其中，高溫環(huán)境更是導致各類機器人的熱控難題的常見工況，直接限制了機器人在高溫環(huán)境下的應用。合格的機器人熱控系統(tǒng)設計能保證機器人在高溫等惡劣條件下使用的可靠性，是拓展機器人的使用范圍、提高機器人的實戰(zhàn)性能的關鍵技術之一。

本文根據(jù)已有機器人熱控相關文獻，首先從機器人熱控中應關注的主要器件出發(fā)，以冷卻方式、防隔熱結(jié)構設計、計算機數(shù)值模擬為主要分類，介紹了各學者的相關研究，然后探討高溫環(huán)境下機器人熱控的關鍵技術與趨勢，為耐高溫環(huán)境機器人研究提供參考。

01

機器人的主要溫度敏感器件

機器人可分為機械部分與電氣部分。主要的機械結(jié)構如機體、傳動機構等在溫度的變化下雖然會發(fā)生熱脹冷縮以及受到熱應力的作用，但未造成機構卡死，且對使用精度要求不高時，只要溫度低于結(jié)構材料相變點，未嚴重影響材料力學性能，對機械結(jié)構的溫控要求不高。

機械結(jié)構更多的是通過合適的耐高溫材料選擇與結(jié)構設計，承擔耐熱與隔熱的作用。然而，各類電子器件、電機及電池等卻是對溫度敏感的器件，目前機器人熱控相關研究也主要集中在這些方面。

1.1 電子器件

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

數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，隨著溫度的增加，電子元器件的失效率會呈指數(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性的設備而言，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 等通過改良機器人散熱熱沉的結(jié)構與安裝方式，使電機驅(qū)動電路的最高溫度減少了 25℃，保證了油井150℃環(huán)境下井牽機器人工作的安全性能。

1.2 電機

電機是大部分機器人驅(qū)動系統(tǒng)的核心部件，負責提供動力源，尤其對于仿人機器人來說，既要求高功率密度的輸出，又要求尺寸小、質(zhì)量輕，以保證機器人的機動性。電機由于機械摩擦、銅損、鐵損等，在運行的過程中會產(chǎn)生熱量，若散熱不良溫升過高會影響絕緣壽命、運行效率，極限工況下可能會造成磁性材料退磁、電機燒毀等現(xiàn)象，30%~40%的永磁電機因為過熱而失效。足夠的散熱能力不僅保證電機的安全運行，還能突破電機出廠的額定的功率或轉(zhuǎn)矩限制，提升機器人的性能。

Mazumdar 等進行了某機器人的電機外殼改進設計，通過暴露電機的背鐵，在氣隙中嵌入鋁環(huán)提高散熱性能。改進后的電機在自然對流條件下較原來能夠提高 50%的散熱性能，采用風扇冷卻時能提高 79%，若采用液冷則能提高 107%。其研究認為，繞組溫度的降低不僅提高了電機運行的安全可靠性，還能減少熱功耗，提高能效。

1.3 電池

電池通過將化學能轉(zhuǎn)換為電能為機器人提供能量，特別對于移動機器人來說，是不可缺少的一部分。電池在工作中會產(chǎn)生以焦耳熱與化學反應熱為主的熱量，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)部電阻會增大，放電容量會降低，影響機器人的機動性，更有甚者機器人將無法啟動，此時需要采取對機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)工作的機器人在-20℃環(huán)境下的放電容量能達到 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，提高了機器人在寒冷環(huán)境工作的可靠性。而當溫度過高時，不僅會影響電池壽命，還有可能產(chǎn)生燃燒、爆炸等危險。由此可見，電池熱管理技術，是保證移動電動設備性能與安全運行的關鍵。

02

機器人熱控技術分類

2.1 冷卻技術

冷卻技術可以分為主動冷卻與被動冷卻。主動冷卻需要耗能元件提供動力，如風扇、水泵等；被動冷卻不需要額外的動力元件，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 風冷

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

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

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

Akawung 等通過在電機轉(zhuǎn)子與外殼上設計通風孔洞，利用電機本身轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動造成的壓差提供氣體流動的動力，節(jié)省了本該使用風扇在機器人內(nèi)部占據(jù)的空間，降低了機器人的負載。

在滿足機器人的使用要求的前提下，風冷是最經(jīng)濟可靠的散熱方法之一，普通工況下可盡可能的使用風冷散熱。但風冷散熱受環(huán)境溫度影響較大，且提高風速會造成系統(tǒng)噪音增加。因而，風冷設計時需要著重考慮風機的選型與風道的設計，合理的散熱結(jié)構能減少風扇的數(shù)量，從而降低機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用較多。目前有關機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，相較于風冷，循環(huán)液冷在風扇與熱源間增加了冷板、流體回路、泵和膨脹箱等設備，結(jié)構相對復雜。由于液體的導熱系數(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)水冷為仿人機器人的電機和電機驅(qū)動器散熱，通過控制溫升，突破了電機原有的使用性能，輸入電流能提高 5 倍，在一項跳躍試驗中，電機的輸出功率能達到額定功率的 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)量有要求的移動機器人而言，需要權衡散熱能力與質(zhì)量所增加的負載。

液冷系統(tǒng)過小無法及時排走熱量，過大又會過于增加機器人的負載導致產(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)構的重量。

圖 2 螺旋循環(huán)水冷熱防護

上海交通大學的研究人員對托卡馬克腔內(nèi)高溫、真空、強磁與核輻射環(huán)境的內(nèi)窺機械臂，采用了水冷熱防護。其結(jié)構如圖 2 所示，將冷卻銅管纏繞在需要防護的相機、電機及其編碼器等組件與機械手外殼結(jié)構之間，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，試驗表明，機械臂能夠在 100℃環(huán)境溫度下正常工作。

機械臂的串聯(lián)結(jié)構對末端負載有嚴格的要求，采用水冷雖然考驗系統(tǒng)的附加質(zhì)量，連桿之間的不斷運動還要求冷卻管道需要有可靠的連接與密封，但卻是實現(xiàn)機器人在高溫環(huán)境下長期運行的有效方法。

錢炳鋒等使用鋁為外殼設計了一個帶水冷系統(tǒng)的焊接機器人結(jié)構光傳感器，通過適當?shù)恼{(diào)節(jié)流量，能夠應對不同的環(huán)境溫度長時間工作。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用，但鋁的導熱系數(shù)也高，需要權衡環(huán)境熱傳導侵入熱量的影響。當需要進一步提高循環(huán)液冷的散熱能力時，可在液體中加入高導熱系數(shù)的納米顆粒，或使用微通道冷板，或采用低沸點工質(zhì)進行流動沸騰換熱等方法。

2.1.3 相變冷卻

物質(zhì)發(fā)生相狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變時，需要吸收或釋放潛熱，可以在很小的溫度變化范圍內(nèi)實現(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，同時還減少了主動冷卻部件的能耗。

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)改造電機的散熱片上，驗證了液體蒸發(fā)在機器人電機上的冷卻效果，在機器人模擬RoboCup 比賽游戲的工況中，添加散熱片的電機在僅自然對流冷卻下較未改造電機可延長運行時間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℃。這樣的散熱設計重量較原來的電機僅重了 2%，但是沒有持續(xù)為散熱片補充水分的措施，只能保證一段時間內(nèi)的穩(wěn)定運行。

日本東京大學研發(fā)出一款會“流汗”的仿人機器人“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，設計了一種雙層多孔骨骼結(jié)構，電機直接安裝在這種骨架上，作為支撐件的同時，骨架內(nèi)部設計有冷卻水道與表面的微孔相連，水分可以通過毛細作用相變蒸發(fā)造成一種“發(fā)汗”的效果冷卻電機，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，美國康奈爾大學的研究人員研發(fā)了一種能在高溫下自動“出汗冷卻”的流體彈性體致動器，3D 打印的手指狀致動器由水凝膠制成，水凝膠上帶有隨溫度的變化自動擴張或收縮的微孔，高溫條件下，內(nèi)部液壓流體經(jīng)擴張的微孔流出，通過蒸發(fā)吸收熱量，而當溫度降低后，微孔則會收縮限制液體的流失。雖然這種散熱方案會造成液壓執(zhí)行器的效率降低與液壓工質(zhì)的流失，但為軟體機器人的彈性體材料導熱率低、散熱困難，提供了溫度調(diào)節(jié)方法。

圖 4 熱管結(jié)構示意圖

上述利用蒸發(fā)帶走熱量的應用雖然比較新穎，但存在著補液機制未完善或工質(zhì)泄露等不足。事實上，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)與冷凝實現(xiàn)熱量的高效傳遞。熱管布置靈活，可將處在結(jié)構復雜、空間緊湊處的發(fā)熱元件熱量導出，再輔以其他方式散熱。

Lee 等研究了船體結(jié)構中的焊接機器人暴露在由焊接產(chǎn)生的金屬粉塵和煙氣中的熱防護問題，將伺服電機的驅(qū)動模塊設置在密閉腔內(nèi)并使用熱管將熱量帶至外部散熱片進行冷卻，同時使用壓縮空氣與風扇對散熱片降溫，及時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冷卻方式，如風扇冷卻，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

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

圖 5 相變材料熱管理系統(tǒng)示意與實物

固液相變冷卻的弊端是，當相變材料完全融化時，無法繼續(xù)散熱，設備溫度會快速升高。為了使相變材料能長時間工作，需要將固液相變冷卻與其他主動冷卻方式結(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行溫控，電池的熱量先經(jīng)由熱管再傳至相變材料，實現(xiàn)相變材料與電池的分離，當相變材料耗盡，系統(tǒng)溫度高于設定值時，啟動額外的風扇制冷。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，可降低設備燒毀的風險。

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，需要當對流換熱系數(shù)處于一定范圍時，混合的散熱器才能夠優(yōu)于純相變材料或純空氣冷卻。

雖然主動冷卻方式的配合使用能延長相變材料的溫控時間，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，設法控制機器人的功率輸出（例如使機器人“慢”下來），防止過熱發(fā)生不可逆的損壞。二是通過優(yōu)化機器人的姿態(tài)、運動、移動路徑或者優(yōu)化部件結(jié)構等，盡可能減小功率元件的熱耗，減輕下游冷卻系統(tǒng)的負擔。

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

Heller 等采用閉環(huán)控制，根據(jù)電機與環(huán)境的溫度，控制液冷泵的輸出功率與電機的轉(zhuǎn)速來影響產(chǎn)熱，使機器人在惡劣環(huán)境下執(zhí)行任務的時間超過對應的開環(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)自身的功耗對于機器人溫控來說也是一種負擔，閉環(huán)反饋能夠優(yōu)化這種功耗。

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

在結(jié)構方面，孫敬颋等以溫升為目標函數(shù)，采用遺傳算法對空間機械臂制動器線圈的導線直徑與線圈匝數(shù)進行了優(yōu)化設計，結(jié)合實驗結(jié)果其線圈溫升降低了約 20℃，減少了線圈發(fā)熱對機械臂長期工作的影響。

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

2.3 熱防護結(jié)構

熱防護結(jié)構考慮的是高溫環(huán)境下設備的耐熱與隔熱的能力，在航空航天領域有成熟的發(fā)展，一些概念與設計思路可以借鑒至高溫環(huán)境下機器人的防熱結(jié)構中運用。

2.3.1 隔熱式結(jié)構

隔熱式結(jié)構利用隔熱材料（導熱系數(shù)不大于0.08W/(m·K)），阻隔環(huán)境熱量對機器人的侵入。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 1260℃；氣凝膠導熱系數(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。隔熱材料從固體導熱角度阻礙熱流，對于輻射傳熱則可以通過運用合適的熱控涂層來調(diào)整表面的熱輻射性質(zhì)進行溫控。

Alhaza 等在一室內(nèi)消防救援機器人中提出多層隔熱結(jié)構的設計，最外層的銀涂層負責反射高溫環(huán)境的熱輻射，能減少 50%的熱量；第二層鋁板負責承受載荷；第三層為導熱系數(shù)低的不可燃材料；第四層為空氣，空氣導熱系數(shù)低，抑制其對流時可視為絕熱材料；第五層為一種隔熱板；綜合效果能使機器人在 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率和密度，可以實現(xiàn)輕量化的結(jié)構，但力學性能差，無法單獨作為外防熱結(jié)構，需要有額外的承載件。隔熱結(jié)構抵御了外界的高溫，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應能使機器人的工作時間延長。

2.3.2 吸熱式結(jié)構

隔熱結(jié)構不能實現(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。而吸熱式結(jié)構同時利用材料的熱容吸收熱量，能夠進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，由于材料相變時會吸收大量的潛熱，相變材料在儲能和溫控領域已有廣泛的應用，將相變材料與熱防護結(jié)構結(jié)合也成為一種趨勢。

韓延龍在核救災機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)構的放熱過程，還能夠?qū)Φ蜏丨h(huán)境器件進行隔熱保溫。

趙帥在低溫冷庫巡檢機器人的溫控系統(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電加熱使得機器人能在低溫環(huán)境下可靠運行。

2.3.3 一體化結(jié)構

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

圖 6 一體化熱防護結(jié)構

由于夾芯結(jié)構腹板處有明顯的熱短路效應，為了提高防熱性能，夾芯結(jié)構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)構較于普通平板結(jié)構，力學性能更優(yōu)，隔熱性能更佳，空間利用率高，且更輕量化，在一些高溫設備的外殼防護結(jié)構上有良好的應用前景。

2.4 數(shù)值模擬的應用

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

通過計算機數(shù)值模擬進行熱仿真，可無實物對熱設計進行模擬驗證 ，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 為空間機械臂的熱仿真分析圖像，能夠為熱試驗做先期指導，再結(jié)合熱試驗驗證熱設計的合理性。

圖 7 空間機械臂熱分析圖像

利用計算機進行熱仿真，可直接對不同設計方案進行試錯，降低理論分析門檻，便于非專業(yè)的熱設計工程師得出滿足要求的方案。Kannan 等運用 FloTHERM 對四足機器人內(nèi)部 12 個電機控制器的散熱進行了研究，通過改變控制器的布局與風扇配置來尋找合適的散熱設計，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，不像試驗測試那樣需要具體的實物與復雜的操作，所以仿真分析可降低試驗成本與工作量。

為了優(yōu)化某工業(yè)機器人控制器內(nèi)原有的散熱翅片，Matysiak 等用 Fluent 軟件進行仿真分析，通過嘗試不同的翅片數(shù)量、翅片高度，風機是鼓風或是抽風，改變空氣出入口的位置，得到了關于優(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；當僅改變翅片數(shù)目與高度時，溫度能夠下降 26%~30%；而風扇模式與出入口位置也變化時，溫度能夠下降38%~42%。

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

一些實際問題情況復雜，難以進行分析求解，計算機強大的數(shù)據(jù)處理與計算能力便于處理復雜問題。謝戈輝等使用 fluent 仿真分析了焦爐測溫機器人在高溫氣流下的防護問題，通過設計冷卻風道，采用大風吹散高溫氣流的思路，使機器人底部高溫區(qū)域從 61.09%下降至 10.88%，平均溫度下降22.04%，且通過試驗驗證了風道設計的合理性。

隨著計算機算力的不斷提高，流動與傳熱模擬的準確性不斷增強，數(shù)值模擬在熱控設計過程已經(jīng)起著十分重要的作用，通過仿真分析與試驗驗證結(jié)合，熱設計過程能夠更經(jīng)濟與便捷。

03

高溫環(huán)境機器人熱控的問題與展望

3.1 關鍵問題

高溫環(huán)境直接導致熱控難題，又有迫切需要機器人應用的需求，如核操作、核救災機器人，消防救援機器人，空天探測機器人，高溫車間或設備的維護等等。高溫環(huán)境給熱設計帶來了難題。

1）熱量的隔絕與散發(fā)之間的矛盾

因為高溫環(huán)境的熱量會自發(fā)的通過熱傳導、熱對流、熱輻射傳遞給機器人，所以必須要采用隔熱措施對機器人進行熱防護。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，機器人內(nèi)部自身的產(chǎn)熱也無法對外排放，造成了機器人隔熱與散熱的矛盾。

當高溫環(huán)境僅在有限的且固定的較小空間中時，可通過類似上海交大研發(fā)的托卡馬克內(nèi)窺機械臂一樣，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。而當高溫環(huán)境范圍大，機器人又屬于移動型時，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，將熱量封存在機器人內(nèi)部，待機器人回到低溫環(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)定的相變材料是關鍵。然而使用這種溫控方式的時候，機器人的工作時間必然是有限制的。

2）熱路的適時打開與切斷

熱防護結(jié)構理論上隔絕了機器人內(nèi)部與外部環(huán)境的熱量交換，在高溫環(huán)境中能起到防護作用，而當機器人回到常溫環(huán)境工作時，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），那么機器人在常溫環(huán)境下也有運行時間限制，溫控效率太低。

華東理工研究的核救災機器人相變溫控時間約 3h，從常溫區(qū)進入高溫區(qū)需要20 min~30 min，往返則需要 40 min~60 min，有大量的溫控時間浪費在了常溫區(qū)。

如何實現(xiàn)機器人自主調(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，而當機器人進入高溫環(huán)境時，自動切斷熱流，隔絕環(huán)境高溫，是提高與完善高溫環(huán)境機器人熱控的關鍵問題之一。

3）材料的耐高溫能力

當環(huán)境的溫度特別高，如需要長時間在火場內(nèi)工作的消防救援機器人，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)的高溫消防機器人，能在 1000℃高溫環(huán)境下工作30min 以上。

圖 8 耐高溫消防機器人

在如此高的溫度下，材料發(fā)生的熱變形可能導致機構的卡死或一些關鍵部件（如軸承、液壓機構等）的損壞。且金屬材料達到一定的溫度，就會發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，改變材料的力學性能。

由于在實際運用時，不像在熱處理車間中能夠?qū)囟扰c時間進行控制，材料的強度、韌性、剛度等力學性能可能會變差。機構設計時合理的間隙預留，材料的高溫穩(wěn)定性、抗高溫疲勞能力是高溫環(huán)境機器人外部機構可靠工作的關鍵。

4）執(zhí)行機構至電機的防隔熱問題

機器人在高溫環(huán)境中執(zhí)行任務，由于必須保證執(zhí)行機構的空間運動性能，這些執(zhí)行機構必然會被暴露在高溫環(huán)境中無法使用隔熱結(jié)構覆蓋，如車輪、履帶、抓手或工作臂等。

這些機構可以本體采用耐高溫材料設計，但必須通過傳動機構與電機接觸相連，容易產(chǎn)生高效的熱通路，使環(huán)境熱量沿著傳動機構侵入隔熱系統(tǒng)對電機及內(nèi)部器件產(chǎn)生影響。如何減少從這些機構傳至內(nèi)部電機的熱量，且同時保證電機動力輸出的效率與可靠性是對電機防護的關鍵。

3.2 耐高溫機器人熱控技術的展望

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

1）相變?yōu)橹鞯睦鋮s技術的應用

相變散熱在電子器件、鋰電池熱管理等相關領域有大量的研究，被認為是具有良好應用前景的溫控技術。由于相變是自發(fā)的被動過程，能夠不依賴環(huán)境溫度通過儲熱達到散熱效果，尤其適合用于處理高溫設備散熱與隔熱之間的矛盾。對固液相變材料而言，還普遍存在著導熱系數(shù)低、相分離、過冷以及需要長時間放熱凝固恢復儲熱能力等問題。

儲熱裝置的研究需要聚焦在復合導熱率的提高、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充，能更方便的解決熱恢復問題。

但在實際應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，由于純相變溫控時間有限的局限性，相變材料與其余主動冷卻方式相結(jié)合的研究將不斷增強。

2）真空絕熱為主的隔熱技術的應用

當環(huán)境溫度上升到幾百甚至上千攝氏度，現(xiàn)有的隔熱材料在機器人這種較小尺度設備上已經(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用該技術，使其在 200℃環(huán)境中具有良好隔熱效果，等效導熱系數(shù)達到了 0.0007 W/(m·K)，這是現(xiàn)今任何隔熱材料都無法比擬的。在整體隔熱達標的同時，為保證結(jié)構的剛度以及減少結(jié)構拼接處的漏熱，夾芯結(jié)構與相變材料吸熱輔助減少熱流的應用具有良好的前景。

3）熱二極管與熱開關等裝置的應用

熱二極管即單向傳熱裝置或熱開關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，當環(huán)境高溫時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)境低溫時實現(xiàn)液氣相變的循環(huán)，而在環(huán)境高溫時中斷流動過程，因為蒸氣導熱系數(shù)低與熱管管壁薄，導熱截面極小，可看成熱路被切斷，從而實現(xiàn)單向傳熱。

而熱開關則可通過主動驅(qū)動（磁、電等）或被動驅(qū)動（材料的熱膨脹、熱磁效應、記憶合金等）的方法實現(xiàn)導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域得到應用，工作溫度與傳/隔熱能力存在一定的范圍，對于高溫環(huán)境下的應用還需要探索和研究。

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結(jié)論

綜上所述，機器人內(nèi)部存在著電子元器件、電機、電池為主的溫度敏感器件。常見冷卻方式以自然散熱、強迫風冷、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迫風冷或是循環(huán)液冷。當機器人在極端環(huán)境或工況下，常規(guī)散熱技術將難以滿足需求，存在熱控設計難點與應用限制。雖然目前在這方面的研究已經(jīng)有一定進展，但還需要更多的探索。

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

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

熱二極管與熱開關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)境機器人的研究對推動機器人技術的發(fā)展有重要作用。應急救援、高溫環(huán)境生產(chǎn)與高溫特種設備維護等不斷增加的現(xiàn)實需求也為高溫環(huán)境機器人的發(fā)展提供了機遇與挑戰(zhàn)。

來源|機械科學與技術，中國知網(wǎng)作者 |高立龍1，陳嵩2，鄭耿峰1,2*單位 |1.福州大學機械工程及自動化學院；2.福建省特種設備檢驗研究院原文 |DOI: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220285參考文獻略