本发明属于混联机器人机构学领域，涉及一种四支链驱动单支链随动的并串混联装置。
背景技术
随着并联机构研究领域的不断深入，学者们发现很多实际任务操作过程中，运用六个自由度工作空间的情况是相对较少的，而少自由度并联机构研究中三自由度并联机构研究逐渐成为热点，最经典的当属3-rps并联机构，但其存在工作空间较小，刚度性能不强等缺点。
国内外学者对三自由度并联机构进行了深入的研究，其中最为广泛的是3-rps并联机构，采用3个包含转动副、球副、移动副的rps分支连接动、静平台，其构造简单、成本低廉、操作方便、解耦容易，成为少自由度并联机构科学研究和工业应用的重要形式，但传统的3-rps并联机构由于自由度较少，其自身受到恒定外负载的抗变形能力较弱，相对于多自由度并联机构静刚度性能较差。另一方面，采用3支链形式工作冗余度，在单个支链发生故障时，并联机构难以正常工作，而部分采用多支链设计的并联机构又存在支链过多过冗余，构造复杂度上升，操作控制难度加大，产品成本呈增加趋势。
技术实现要素：
本发明的技术解决问题：为克服现有技术不足，提供一种四支链驱动单支链随动的并串混联装置，提升对动平台的刚性支撑能力、动平台载荷能力以及平台的安全性。
本发明的技术解决方案：
一种四支链驱动单支链随动的并串混联装置，包括基座、动平台、电动缸、十字铰、球铰以及随动支链，各个电动缸的下端部分别通过十字铰与基座的上表面连接，各个电动缸的上端部分别通过球铰与动平台的下表面连接，该随动支链的下端部通过十字铰与基座的中部连接，该随动支链的上端部与动平台的下表面连接，动平台具有两个转动自由度和一个升降自由度，各个电动缸协同运动，实现任意方向的转动和一定范围内的升降。
电动缸的下端部和上端部分别连接于基座和动平台的边缘，以在各个电动缸、基座和动平台之间形成一个活动空间，该随动支链位于活动空间内。
相邻两个电动缸的距离相等，并且相对的两个电动缸相互对称，随动支链位于基座和动平台的中心位置。
任意方向的转动范围为0-20°，升降范围为0-450mm。
任意方向转动方法为：通过电动缸改变驱动支链的杆长li＝||r5+ai-bi||，其中，bi为基座中心至驱动支链与基座连接点的矢量；r5为基座中心至动平台的矢量；ai为动平台中心至驱动支链与动平台连接点的矢量，进而调整动平台的倾斜角度α、β。
控制升降的方法为：建立中间矢量ai＝rapi，其中ai为动平台中心至驱动支链与动平台连接点的矢量，api为水平状态下动平台中心至驱动支链与动平台连接点ai的矢量，r为倾角α、β确定的旋转矩阵，
进而根据位置闭环约束，得到各驱动支链杆长li＝||r5+ai-bi||，其中bi为基座中心至驱动支链与基座连接点的矢量,通过电动缸改变各驱动支链杆长，完成姿态调整；根据高度调整需求，通过电动缸以相同状态调整各驱动支链杆长，实现动平台升降运动。
电动缸具有自锁功能。
随动支链的十字铰带有电磁制动器。
有益效果：
(1)本发明采用多驱动支链与随动支链的联合设计，提升对动平台的刚性支撑能力，动平台载荷能力显著增强，多驱动支链及随动支链形成了一定的冗余，平台的安全性与可靠性得到提高，并在一定程度实现了倾斜姿态与升降运动的解耦；
(2)本发明结构简单、紧凑，采用电动缸承载力大，可广泛地应用于大工作空间的并联机器人领域，并可用于地外天体着陆器模拟、空间对接平台模拟及其它飞行模拟器等工业、军事、航天领域；
(3)本发明随动支链能够使该四支链驱动单支链随动的并串混联装置的结构紧凑、调节的复杂程度明显降低，并且减少该四支链驱动单支链随动的并串混联装置的振动，以使该四支链驱动单支链随动的并串混联装置的灵巧性和刚度性能大大增加；
(4)本发明随动支链使约束子矩阵相对增加了完整雅克比矩阵的秩，减少了该四支链驱动单支链随动的并串混联装置产生奇异性的可能性，从而提高该四支链驱动单支链随动的并串混联装置的可靠性和稳定性。
附图说明
图1是本发明立体示意图；
图2是本发明概念示意图；
图3是本发明位置闭环矢量示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进行详细描述。
一种四支链驱动单支链随动的并串混联装置，包括基座10、动平台20、电动缸30、十字铰40、球铰50以及随动支链60，各个电动缸30的下端部分别通过十字铰40与基座10的上表面连接，各个电动缸30的上端部分别通过球铰50与动平台20的下表面连接，该随动支链60的下端部通过十字铰40与基座10的中部连接，该随动支链60的上端部与动平台20的下表面连接，动平台20具有两个转动自由度和一个升降自由度，各个电动缸30协同运动，实现任意方向的转动和一定范围内的升降。
电动缸30的下端部和上端部分别连接于基座10和动平台20的边缘，以在各个电动缸30、基座10和动平台20之间形成一个活动空间70，该随动支链60位于活动空间70内。
相邻两个电动缸30的距离相等，并且相对的两个电动缸30相互对称，随动支链60位于基座10和动平台20的中心位置。
任意方向的转动范围为0-20°，升降范围为0-450mm。
进一步地，该随动支链60包括一个导杆61以及一个导向筒62，该导向筒62和动平台20连接，导杆61通过十字铰40和基座10连接，并且导杆61可滑动地连接于导向筒62，以使导杆61在导向筒62内竖直上下运动，并且满足动平台20绕着x轴和y轴的两个转动自由度。各个电动缸30同步地运动，以通过各个电动缸30的同步推拉实现导杆61在导向筒62内的竖直上下运动。优选地，相邻两个电动缸30的距离相等，并且相对的两个电动缸30相互对称，以提高各个电动缸30的承载能力和使该四支链驱动单支链随动的并串混联装置的更稳定。
如图1，各个电动缸30的下端部和上端部分别连接于基座10和动平台20的边缘，以在各个电动缸30、基座10和动平台20之间形成一个活动空间70，该随动支链60位于活动空间70内。也就是说，随动支链60位于该四支链驱动单支链随动的并串混联装置的中部，以保证该四支链驱动单支链随动的并串混联装置的稳定性和可靠性。
该电动缸30是自锁电动缸，即该电动缸30具有自锁功能，在动平台20调整到预设高度时，电动缸30进行自锁，从而使动平台20始终保持在预设高度。该随动支链60的十字铰40带有电磁制动器，在该四支链驱动单支链随动的并串混联装置通过各个电动缸30调整完俯仰和侧倾角后，该随动支链60的十字铰40的电磁制动器制动以限制角度的变化，从而消除各个运动关节的间隙，这样有利于提高该四支链驱动单支链随动的并串混联装置的刚度、稳定性和安全性。
该四支链驱动单支链随动的并串混联装置的简图如图2所示，ai(i＝1,2,3,4)为第i条驱动支链的球铰链中心，bi(i＝1,2,3,4)为第i条驱动支链的十字铰链中心。初始状态下动平台20与基座10保持平行，点o、p为中间的随动支链60在基座10形成的静平台和动平台20上的投影。以o为原点建立固定坐标系o-xyz，其中x轴与b1b2连线平行，z轴垂直基座向上，y轴满足右手定则。以动平台点p为原点建立参考系p-uvw，其中u轴与x轴保持瞬时平行，w轴沿中间的该随动支链60op方向，v轴满足右手定则。
在固定坐标系o-xyz下，根据图3所示，可构造位置闭环约束方程如下：
其中li和s3i分别是第i条驱动支链的杆长和其在固定坐标系o-xyz下的单位矢量；l5和s35分别是中间随动支链杆长和其固定坐标系o-xyz下的单位矢量；ai、bi分别为ai、bi在固定坐标系o-xyz下的位置矢量，i＝1,2,3,4。
该四支链驱动单支链随动的并串混联装置的动平台相对基座存在俯仰或侧倾运动，设转动角度分别为α、β，则有：
ai＝rapi
r＝roty(β)·rotx(α)
其中api为ai在动参考系p-uvw下的位置矢量，r为p-uvw相对于固定坐标系o-xyz的旋转矩阵，rot*(.)表示绕*轴转动的旋转阵。
根据上述关系，可得：
lis3i＝r5+ai-bi
其中，bi为基座中心至驱动支链与基座连接点的矢量；r5为基座中心至动平台的矢量；ai为动平台中心至驱动支链与动平台连接点的矢量。
则第i条驱动支链(连在电动缸上的)的杆长：
li＝||r5+ai-bi||
因此，四支链驱动单支链随动的并串混联装置可通过调整驱动支链、随动支链，快速实现姿态调整和空间定位。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权力要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。