一种可双向自适应风冷换热的人形机器人关节模组及方法
本发明属于机器人关节驱动，具体涉及一种可双向自适应风冷换热的人形机器人关节模组及方法。
背景技术：
1、随着人形机器人技术的快速发展，关节模组作为人形机器人各肢体结构连接的核心组件，是实现人形机器人上肢手臂、下肢腿部灵活运动的关键所在；目前，业内对关节模组散热设计及运行稳定性的需求逐渐加大。
2、关节模组本质上是一种旋转驱动器，多为无框力矩电机及减速器的传动组合形式（含编码器及驱动器）；电机工作时会产生铜损（为关节模组主要发热源，温升过高时永磁体会消磁，电机输出性能下降）、减速器在机械传动过程中也会产热，二者热耦合对关节模组的整体输出性能、稳定性及寿命均有影响，故如何有效解决温升是人形机器人关节驱动技术领域的难题。
3、目前，人形机器人关节模组业内针对关节模组温升控制没有较成熟的技术方案；大部分关节模组依旧是在外壳表面加工散热鳍片，进而增加自然对流的换热面积；少部分关节模组在模组壳体上开设流道采用传统电机散热所用油冷或水冷的散热方式来提高模组的散热效果进而控制温升；所述的在外壳表面加工散热鳍片的散热方式效果有限，而油冷或水冷的散热方式需要外置复杂的循环泵送系统不利于关节模组的集成和使用。
4、此外，关节模组长期运行过程中，其输出端处于频繁换向的工作状态，减速器啮合部位及轴承部位可能出现供脂不足或润滑性能下降，使接触部位磨损增加，形成附加摩擦产热。因此，关节模组的温升控制除需要建立有效的散热通路外，还需要维持相应运动副的润滑状态，减少润滑不足引起的附加热负荷。
5、因此，针对上述关节模组的温升控制及长期运行使用时润滑脂需定期补充的现状，研发一种可实现润滑脂定量补充且可有效控制温升的高集成度的新型关节模组是该领域技术人员急需解决的问题。
技术实现思路
1、本发明的目的是为了解决上述技术领域中存在的关节模组需有效控制温升及其长期运行使用时润滑脂需定期补充的问题，而提供一种可双向自适应风冷换热的人形机器人关节模组及方法，以改善关节模组长期使用过程中频繁换向工作条件下的温升控制。
2、本发明采用的技术方案为：
3、一种可双向自适应风冷换热的人形机器人关节模组，包括：壳体及传动连接组件、电机及电控组件、扇叶被动变向风扇组件、换热流道组件和减速器；
4、所述壳体及传动连接组件包括中部风冷流道外壳和转动设于其内的内转子凸轮轴；
5、电机及电控组件包括内转子电机，其外定子绕组固接于中部风冷流道外壳内，其内转子磁钢设于内转子凸轮轴上；
6、内转子凸轮轴一端与减速器的输入端传动连接，另一端与扇叶被动变向风扇组件的扇叶驱动转套传动连接；
7、中部风冷流道外壳内于外定子绕组外侧设有阶梯环形换热流道；
8、阶梯环形换热流道分别与进气孔和风扇腔连通；
9、风扇腔内设扇叶被动变向风扇组件，风扇腔与出气孔连通；
10、扇叶驱动转套周向安装有可转动且具有转角限位的偏置式扇叶；
11、当扇叶驱动转套换向转动时，偏置式扇叶被动切换倾斜工作位置，使正反转状态下轴向抽气气流方向一致；
12、气体由进气孔经阶梯环形换热流道、风扇腔后由出气孔排出，内转子电机和减速器的工作产热与阶梯环形换热流道间热交换。
13、所述扇叶被动变向风扇组件包括扇叶驱动转套、扇叶转轴安装盘、扇叶限位变桨转轴、偏置式扇叶和制动传动盘组件；
14、扇叶驱动转套周向设k个双扇形限位槽，其上同轴固接扇叶转轴安装盘；
15、扇叶转轴安装盘周向均布轴接k个扇叶限位变桨转轴，k≥3；
16、扇叶限位变桨转轴内侧设限位条，外端固接非对称偏置式弧形扇叶结构的偏置式扇叶；
17、限位条位于双扇形限位槽内，双扇形限位槽的边部形成2组限位边，用于分别限定偏置式扇叶的第一倾斜工作位置和第二倾斜工作位置；
18、制动传动盘组件包括制动转盘、制动固定座和可控制动机构；
19、扇叶限位变桨转轴内端与制动转盘传动连接；
20、制动固定座固定于中部风冷流道外壳上；
21、可控制动机构用于控制制动转盘与制动固定座间相对自由转动状态与制动状态的切换，所述的制动状态为非抱死阻尼制动状态；
22、换向时，内转子凸轮轴减速至静止后换向，过程中可控制动机构使制动转盘与制动固定座间为非抱死阻尼制动状态；
23、扇叶驱动转套换向转动通过制动转盘与扇叶限位变桨转轴间的传动连接，驱动偏置式扇叶在第一倾斜工作位置与第二倾斜工作位置间切换；偏置式扇叶变向完成后，可控制动机构解除制动。
24、所述扇叶被动变向风扇组件还包括用于偏置式扇叶变向后稳态定位的电磁定位件和/或凸轮弹簧顶定位机构；
25、在设置电磁定位件的情况下，所述限位条和限位边的对应接触部位分别设有电磁定位件，通过选择性地向对应电磁定位件通电，使处于对应倾斜工作位置的限位条与限位边磁吸定位；
26、所述的制动转盘为外周加厚的惯性飞轮，可以利用惯性飞轮的惯性，替代可控制动机构控制偏置式扇叶在第一倾斜工作位置与第二倾斜工作位置间切换；
27、在设置凸轮弹簧顶定位机构的情况下，所述凸轮弹簧顶定位机构包括定位凸轮套、球面对心顶杆、顶杆弹簧和竖向顶杆支架；
28、所述定位凸轮套固接于扇叶限位变桨转轴内侧；所述竖向顶杆支架安装在扇叶转轴安装盘上，其上竖向滑接球面对心顶杆；
29、所述顶杆弹簧套设在球面对心顶杆上，使球面对心顶杆与定位凸轮套的凸轮轮廓保持接触；
30、所述定位凸轮套的凸轮轮廓呈水滴形，其转动轴线与球面对心顶杆的竖向滑动方向垂直相交。
31、所述扇叶限位变桨转轴内端与制动转盘间为摩擦传动或齿轮啮合传动；
32、为摩擦传动时，所述扇叶限位变桨转轴内端固接摩擦传动轮，制动转盘朝向摩擦传动轮的端面为高摩擦系数面；摩擦传动轮与高摩擦系数面接触，通过摩擦传动驱动扇叶限位变桨转轴转动；
33、为齿轮啮合传动时，所述扇叶限位变桨转轴内端固接圆柱小齿轮，制动转盘的端面设盘形面齿轮，圆柱小齿轮与盘形面齿轮啮合传动驱动扇叶限位变桨转轴转动。
34、所述换热流道组件包括设于进气孔的入口过滤塞、多个制冷环、减速器导热片、绕组导热片及设于出气孔的出口过滤塞；
35、所述制冷环为半导体制冷环，设于阶梯环形换热流道上。
36、所述减速器为谐波减速器，包括柔性轴承、礼帽形柔轮、输出刚轮和交叉滚子轴承；
37、所述内转子凸轮轴的端部凸轮段与柔性轴承构成输入波发生器；
38、所述输入波发生器使礼帽形柔轮的薄壁齿部产生径向变形，使该薄壁齿部的外齿与输出刚轮的内齿啮合传动；输出刚轮安装在交叉滚子轴承内圈上。
39、本发明关节模组还设有润滑脂补充组件，包括喷嘴安装盘、l形喷嘴管、压启式防漏出脂组件和定量供脂器；
40、所述l形喷嘴管设于喷嘴安装盘上，其竖直段端部设压启式防漏出脂组件，其水平段与定量供脂器连通；
41、所述定量供脂器将润滑脂定量输送至l形喷嘴管的锥形导脂段，并由压启式防漏出脂组件喷出。
42、所述压启式防漏出脂组件包括外变形阀口和内置弹簧球阀机构；
43、所述外变形阀口由多个周向设置的外弯阀片组成；
44、所述内置弹簧球阀机构包括喷口弹簧、止回阀球和带孔弹性片。
45、本发明的又一目的是提供一种可双向自适应风冷换热的人形机器人关节模组的风冷换热方法，采用上述的一种可双向自适应风冷换热的人形机器人关节模组，具体步骤为：
46、s1.模组运行准备：可控制动机构制动，使制动转盘相对于制动固定座处于非抱死阻尼制动状态；
47、s2.同步驱动及抽气：驱动内转子电机使内转子凸轮轴沿第一旋转方向转动，同步驱动扇叶驱动转套和减速器运转；
48、扇叶驱动转套和制动转盘相对运动，扇叶限位变桨转轴在制动转盘上转动，驱动偏置式扇叶转至第一倾斜工作位置；凸轮弹簧顶定位机构对偏置式扇叶限位；
49、可控制动机构解除制动；形成由进气孔经阶梯环形换热流道至出气孔的抽气气流；
50、s3.接收指令减速：接收到换向指令后，控制内转子凸轮轴减速，可控制动机构制动，使制动转盘相对于制动固定座处于非抱死阻尼制动状态；
51、s4.换向变桨及抽气：内转子凸轮轴减速至静止后换向，使内转子凸轮轴沿第二旋转方向转动，制动转盘相对于制动固定座仍然处于非抱死阻尼制动状态；
52、扇叶驱动转套和制动转盘相对运动，扇叶限位变桨转轴在制动转盘上转动，驱动偏置式扇叶转至第二倾斜工作位置；凸轮弹簧顶定位机构对偏置式扇叶限位；
53、可控制动机构解除制动，亦形成由进气孔经阶梯环形换热流道至出气孔的抽气气流；
54、s5.制冷环运行及风冷换热：所述抽气气流流经阶梯环形换热流道时，通过绕组导热片和减速器导热片分别将内转子电机和减速器产生的热量传递至流经阶梯环形换热流道的气体，由排出气体携带热量离开模组；电机及电控组件的驱动板根据运行需求控制制冷环的制冷功率；
55、s6.润滑脂定量补充：
56、控制线性执行器按预设行程推动活塞头，将润滑脂腔内的润滑脂输送至l形喷嘴管，在供脂压力作用下使内置弹簧球阀机构和外变形阀口开启，向礼帽形柔轮与输出刚轮的啮合区域或柔性轴承所在区域定量补充润滑脂；达到预设补充量后，控制线性执行器停止推进并使出脂端压力降低，使内置弹簧球阀机构和外变形阀口恢复封闭，以维持相应运动副的润滑状态，减少润滑不足引起的附加摩擦产热。
57、综上，本发明提供的一种可双向自适应风冷换热的人形机器人关节模组及方法，属于机器人关节驱动技术领域，所述关节模组包括：壳体及传动连接组件、电机及电控组件、扇叶被动变向风扇组件、换热流道组件、润滑脂补充组件和谐波减速器；内转子电机驱动内转子凸轮轴双向转动，同步驱动谐波减速器和扇叶驱动转套；当换向时，偏置式扇叶在第一、第二倾斜工作位置间切换，扇叶驱动转套正反转时抽气方向保持一致；气体由入口过滤塞进入阶梯环形换热流道，依次经气体过渡槽孔和风扇腔后由出口过滤塞排出，并通过制冷环、绕组导热片及减速器导热片协同带走电机和减速器的工作产热；润滑脂补充组件通过定量供脂器和压启式防漏出脂组件向谐波减速器补充润滑脂。
58、综上，本发明与现有技术相比，具有的有益效果及优点如下：
59、1）本发明的关节模组利用内转子凸轮轴同时驱动谐波减速器及扇叶被动变向风扇组件工作，将关节模组原有旋转驱动力用于内部风冷换热，相比现有技术无需额外设置独立风扇驱动电机及复杂的外置液体循环泵送系统，在实现主动强制风冷的同时提高了人形机器人关节模组的结构集成度。
60、2）本发明关节模组设置扇叶被动变向风扇组件，当内转子凸轮轴减速并改变旋转方向时，可控制动机构制动，使制动转盘与制动固定座间处于非抱死阻尼制动状态；通过摩擦传动轮与制动转盘间的摩擦传动，或通过圆柱小齿轮与盘形面齿轮间的齿轮啮合传动，使周向设置的偏置式扇叶同步切换至相反倾斜工作位置；偏置式扇叶完成变向后可控制动机构解除制动，通过双扇形限位槽、电磁定位件和/或凸轮弹簧顶定位机构保持其稳定工作状态，由此使内转子凸轮轴正向或反向转动时均能够形成方向一致的抽气气流，实现关节模组双向旋转工况下的自适应风冷。
61、3）本发明关节模组在内转子电机外侧设置径向尺寸逐步缩小的阶梯环形换热流道，并在阶梯环形结构上设置多级制冷环，同时通过绕组导热片和减速器导热片分别建立内转子电机、谐波减速器与阶梯环形换热流道之间的导热通路；扇叶被动变向风扇组件驱动外部气体依次经入口过滤塞、阶梯环形换热流道、气体过渡槽孔和风扇腔后由出口过滤塞排出，从而同时对电机热源和减速器热源进行连续换热，提高关节模组内部多热源的协同散热能力。
62、4）本发明关节模组中扇叶被动变向风扇组件的扇叶驱动转套由内转子凸轮轴直接带动，其工作转速随关节模组运行转速相应变化，使关节模组在较高转速运行时能够相应提高气体流动强度，并可进一步通过驱动板对制冷环的工作状态或制冷功率进行调节，使扇叶被动变向风扇组件与换热流道组件协同工作，从而提高关节模组在不同运行工况下的温升控制能力。
63、5）本发明关节模组还设置润滑脂补充组件，通过线性执行器带动活塞头改变润滑脂腔的容积，实现润滑脂的受控定量输出，并通过内置弹簧球阀机构与外变形阀口形成压启式防漏出脂组件，使润滑脂在补充压力达到开启条件时定向喷出、补充结束后喷口恢复封闭；通过改变喷嘴安装盘与谐波减速器之间的安装位置，可针对礼帽形柔轮与输出刚轮的啮合齿部或柔性轴承进行直接或间接润滑脂补充，有利于解决长期运行过程中因润滑脂消耗、老化造成的齿部磨损及传动性能下降的问题。