本发明属于机器人，具体是一种模块化气电混合仿生机器人及其仿生机械臂。
背景技术：
1、随着科技的迅速发展，机器人技术在生活和工业领域中的应用越来越广泛。特别是在高精度、高灵活性和高效率的任务中，机器人的优势得到了充分发挥。仿生机械臂是仿照人体手臂结构与功能设计的新型智能机械臂。随着对人体生物力学特征研究的深入，仿生机械臂已成为机器人研究的新热点。目前，仿生机械臂技术正处于起步阶段，相关理论和关键技术还在不断完善。
2、当前的仿生机械臂大多只是部分仿生，整体上的仿生程度并不高。在驱动源方面，现有仿生机械臂的运动大多都采用电机作为执行器，这与人体肌肉的工作原理存在差异。电机体积较大、输出扭矩不均匀，难以实现肌肉的协同工作和柔性运动。此外，电机作为驱动源也限制了仿生机械臂实现轻量化的目标。这些因素制约了仿生机械臂运动性能的提高。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种模块化气电混合仿生机器人及其仿生机械臂，本模块化气电混合仿生机器人及其仿生机械臂的前臂结构中腕部的旋前/旋后，肩部模块中部分结构以及整个上臂结构和前臂结构的外展/内旋、前伸/后伸以及上臂结构和前臂结构的旋转，由各个关节电机作为驱动源驱动，但是，肘部弯曲动作以及腕部弯曲动作由多个气动肌腱驱动实现的，气动肌腱作为驱动源，即采用气动人工肌肉（能够像人体的肌肉一样收缩），更符合人类的身体结构，可以实现肌肉的协同工作和柔性运动，整体结构相对于现有的均采用电机作为驱动源来说，重量减轻。
2、为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
3、一种模块化气电混合仿生机械臂，包括机械臂本体，所述机械臂本体包括依次连接的肩部模块、上臂结构和前臂结构；
4、所述肩部模块包括肩部关节电机一、直角连接架、肩部关节电机二、连接件和肩部关节电机三，所述肩部关节电机一的外壳用于与仿生机器人的机身固定架连接，肩部关节电机一的输出端与直角连接架一端连接，所述直角连接架另一端与肩部关节电机二的外壳连接，所述肩部关节电机二的输出端与连接件连接，所述连接件与肩部关节电机三的外壳连接，所述肩部关节电机三的输出端与上臂结构连接；
5、所述上臂结构包括上臂支座、气动肌腱一、气动肌腱二、肘部法兰盘一、肘部法兰盘二和肘部位姿传感器，所述肩部关节电机三的输出端通过连接挂板与上臂支座的顶端连接，上臂支座的底端与肘部法兰盘一转动连接，肘部法兰盘一与肘部法兰盘二连接，肘部法兰盘二的侧面连接有肘部位姿传感器，所述气动肌腱一的一端与上臂支座的一侧面顶部转动连接，另一端与肘部法兰盘一的一侧面转动连接，所述气动肌腱二的一端与上臂支座的另一侧面顶部转动连接，另一端与绳子连接，上臂支座的另一侧面底部连接有滑轮，绳子绕在滑轮上后与肘部法兰盘一的另一侧面连接；
6、所述前臂结构包括肘部关节电机、肘部法兰盘三、气动肌腱三、腕部法兰盘、腕部位姿传感器和支撑杆，所述肘部法兰盘二与肘部关节电机的外壳连接，肘部关节电机的输出端与肘部法兰盘三连接，肘部法兰盘三与气动肌腱三的一端转动连接，气动肌腱三的另一端与腕部法兰盘转动连接，腕部法兰盘连接有腕部位姿传感器，支撑杆的一端与肘部法兰盘三连接，支撑杆的另一端与腕部法兰盘通过万向节连接。
7、作为本发明进一步改进的技术方案，所述肩部模块中，肩部关节电机三的外壳顶部通过imu固定支座连接有肩部位姿传感器，肩部位姿传感器采用imu 9轴位姿传感器。
8、作为本发明进一步改进的技术方案，所述上臂结构中，肘部位姿传感器采用imu 9轴位姿传感器，肘部法兰盘二的侧面通过imu固定支座连接有肘部位姿传感器；所述上臂支座和肘部法兰盘一均连接有双耳环支座，所述气动肌腱一的一端的双耳环与上臂支座的一侧面顶部的双耳环支座转动连接，另一端的双耳环与肘部法兰盘一上的双耳环支座转动连接，所述气动肌腱二的一端的双耳环与上臂支座的另一侧面顶部的双耳环支座转动连接，上臂支座的另一侧面底部通过滑轮支座连接有滑轮，绳子绕在滑轮上后与肘部法兰盘一的另一侧面上的绳架连接。
9、作为本发明进一步改进的技术方案，所述气动肌腱一有2个，2个气动肌腱一并排设置，所述气动肌腱二有1个。
10、作为本发明进一步改进的技术方案，所述前臂结构中，所述肘部法兰盘三与气动肌腱三的一端通过关节轴承转动连接，气动肌腱三的另一端与腕部法兰盘通过关节轴承转动连接，腕部法兰盘连接有腕部传感器固定盘，腕部传感器固定盘上连接有腕部位姿传感器。
11、作为本发明进一步改进的技术方案，所述气动肌腱三有四个，且位于支撑杆四周，支撑杆的一端与肘部法兰盘三通过联轴器连接。
12、作为本发明进一步改进的技术方案，还包括控制柜，控制柜上设置有运动控制系统，运动控制系统包括控制器、电流模块、电源和多个比例压力阀，所述电源分别与控制器、电流模块、压力阀以及机械臂本体中的肩部关节电机一、肩部关节电机二和肩部关节电机三连接，所述控制器分别与电流模块以及机械臂本体中的肩部关节电机一、肩部关节电机二和肩部关节电机三连接，所述电流模块连接所有的比例压力阀，机械臂本体中的气动肌腱一、气动肌腱二和气动肌腱三分别连接有比例压力阀。
13、为实现上述技术目的，本发明采取的另一个技术方案为：
14、一种模块化气电混合仿生机器人，包括模块化气电混合仿生机械臂、机械手、头部和机身固定架，模块化气电混合仿生机械臂的前臂结构末端连接机械手，头部与机身固定架连接，机身固定架与模块化气电混合仿生机械臂中的肩部关节电机一的外壳连接，头部上设置有深度学习相机，机身固定架上设置有激光雷达，深度学习相机和激光雷达均与电源连接。
15、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
16、本发明机械臂的设计结构为srs构型，srs构型是指肩部三个自由度的中轴线交于一点以及腕部三个自由度的中轴线交于一点，其中肩部三个自由度的中轴线交于一点是指肩部关节电机一、肩部关节电机二和肩部关节电机三的运动轴的轴线相交于一点，腕部三个自由度的中轴线交于一点是指肘部关节电机、腕部的4个气动肌腱三共同提供的三个自由度的运动轴的中心轴线交于一点。机械臂采用串联冗余设计（串联是指一个自由度连着一个自由度，冗余是指七个自由度），具有七个自由度，分别是：肩部关节电机一、肩部关节电机二、肩部关节电机三分别实现肩部的三个自由度运动，肘部关节电实现腕部的旋转，实现一个自由度运动，肘部的2个气动肌腱一和1个气动肌腱二驱动肘部转动，实现一个自由度运动，腕部的4个气动肌腱三可以驱动腕部进行双自由度运动，实现两个自由度运动。因此，可以提供更大的操作自由度，适应复杂的操作环境。尤其在狭小的空间中，srs机械臂能够实现更灵活的操作。
17、冗余度高：由于存在七个自由度，srs机械臂具备冗余度，可以实现不同路径的运动规划，优化任务完成效率。同时，它能避免单一关节故障导致任务失败，提高了系统的可靠性。
18、复杂任务处理能力强：通过调整关节的运动，机械臂可以同时完成多个任务，例如避障和末端精确定位，适用于高要求的工业环境和复杂的操作任务。
19、操作范围广：由于是串联结构，srs机械臂的末端操作器可以覆盖更大的工作范围，可以执行从小范围的精细动作到大范围的搬运任务。
20、可重复性好：机械臂的各个关节通过控制精确协调，可以实现高精度的动作，适合对精确性要求高的应用场景，例如工业加工和装配。
21、所设计的结构考虑了传感器的安装位置。动力系统：肩部运动为三个肩部关节电机实现，具体为三个运动轴的轴线相交与一点，方便建立机械臂的dh模型和机械臂的运动学逆解。
22、本机械臂仿人体机械臂而设计，人体手臂肩部有三个自由度，本发明的机械臂肩部由三个肩部关节电机实现三个自由度的旋转等任务，肩部关节电机一、肩部关节电机二和肩部关节电机三的运动轴的轴线相交与一点。肘部采用三个气动肌腱实现一个自由度运动，所设计的结构采用气动人工肌肉（能够像人体的肌肉一样收缩），实现重物的提取。且由于气动人工肌肉具有抗冲击的性能，当受到外界干扰和冲击时不会对机械结构本身造成破坏。肘部电机实现腕部的一个自由度的旋转，腕部采用四根气动肌腱三（气动人工肌肉）组成的双自由度运动平台（即两个气动肌腱提供一个自由度，4个气动肌腱提供2个自由度），可以实现双自由度运动的要求，通用具有抗冲击，承载大的优点。肘部可以提起20kg重物，腕部可以提起10kg重物，而机械臂本身重15.08kg，长度为成年人手臂的1.26倍。
23、本发明模块化气电混合仿生机器人及其仿生机械臂可以通过肘部关节电机驱动前臂结构中腕部的旋前/旋后，可以通过肩部关节电机一驱动肩部模块中部分结构、前臂结构和上臂结构的外展/内旋，通过肩部关节电机二驱动肩部模块中部分结构、前臂结构和上臂结构的前伸/后伸，通过肩部关节电机三驱动前臂结构和上臂结构的旋转（旋前/旋后）。但是，肘部弯曲动作以及腕部弯曲动作由七个气动肌腱驱动实现的，气动肌腱作为驱动源，即采用气动人工肌肉（能够像人体的肌肉一样收缩），更符合人类的身体结构，可以实现肌肉的协同工作和柔性运动，整体结构相对于现有的均采用电机作为驱动源来说，重量减轻，仿生机械臂运动性能更高。
1.一种模块化气电混合仿生机械臂，其特征在于，包括机械臂本体，所述机械臂本体包括依次连接的肩部模块、上臂结构和前臂结构；
2.根据权利要求1所述的模块化气电混合仿生机械臂，其特征在于，所述肩部模块中，肩部关节电机三（a4）的外壳顶部通过imu固定支座（a5）连接有肩部位姿传感器（a6），肩部位姿传感器（a6）采用imu 9轴位姿传感器。
3.根据权利要求1所述的模块化气电混合仿生机械臂，其特征在于，所述上臂结构中，肘部位姿传感器（a13）采用imu 9轴位姿传感器，肘部法兰盘二（a12）的侧面通过imu固定支座（a5）连接有肘部位姿传感器（a13）；所述上臂支座（a9）和肘部法兰盘一（a11）均连接有双耳环支座（a25），所述气动肌腱一（a8）的一端的双耳环（a7）与上臂支座（a9）的一侧面顶部的双耳环支座（a25）转动连接，另一端的双耳环（a7）与肘部法兰盘一（a11）上的双耳环支座（a25）转动连接，所述气动肌腱二（a10）的一端的双耳环（a7）与上臂支座（a9）的另一侧面顶部的双耳环支座（a25）转动连接，上臂支座（a9）的另一侧面底部通过滑轮支座（a29）连接有滑轮（a28），绳子（a27）绕在滑轮（a28）上后与肘部法兰盘一（a11）的另一侧面上的绳架连接。
4.根据权利要求1所述的模块化气电混合仿生机械臂，其特征在于，所述气动肌腱一（a8）有2个，2个气动肌腱一（a8）并排设置，所述气动肌腱二（a10）有1个。
5.根据权利要求1所述的模块化气电混合仿生机械臂，其特征在于，所述前臂结构中，所述肘部法兰盘三（a15）与气动肌腱三（a17）的一端通过关节轴承（a16）转动连接，气动肌腱三（a17）的另一端与腕部法兰盘（a19）通过关节轴承（a16）转动连接，腕部法兰盘（a19）连接有腕部传感器固定盘（a20），腕部传感器固定盘（a20）上连接有腕部位姿传感器（a21）。
6.根据权利要求5所述的模块化气电混合仿生机械臂，其特征在于，所述气动肌腱三（a17）有四个，且位于支撑杆（a18）四周，支撑杆（a18）的一端与肘部法兰盘三（a15）通过联轴器连接。
7.根据权利要求1所述的模块化气电混合仿生机械臂，其特征在于，还包括控制柜，控制柜上设置有运动控制系统，运动控制系统包括控制器（1）、电流模块（2）、电源和多个比例压力阀（9），所述电源分别与控制器（1）、电流模块（2）、压力阀以及机械臂本体中的肩部关节电机一（a1）、肩部关节电机二（a3）和肩部关节电机三（a4）连接，所述控制器（1）分别与电流模块（2）以及机械臂本体中的肩部关节电机一（a1）、肩部关节电机二（a3）和肩部关节电机三（a4）连接，所述电流模块（2）连接所有的比例压力阀（9），机械臂本体中的气动肌腱一（a8）、气动肌腱二（a10）和气动肌腱三（a17）分别连接有比例压力阀（9）。
8.一种模块化气电混合仿生机器人，其特征在于，包括如权利要求1至7任一项所示的模块化气电混合仿生机械臂、机械手、头部（b）和机身固定架（c），模块化气电混合仿生机械臂的前臂结构末端连接机械手，头部（b）与机身固定架（c）连接，机身固定架（c）与模块化气电混合仿生机械臂中的肩部关节电机一（a1）的外壳连接，头部（b）上设置有深度学习相机，机身固定架（c）上设置有激光雷达，深度学习相机和激光雷达均与电源连接。
