令卓凡 岳永昕 胡靜

（北京市第三十五中學(xué)，北京 100034）

1 項(xiàng)目背景

航天器在軌道運(yùn)行時(shí)，為了完成它所承載的任務(wù)，必須具有一定的姿態(tài)，因此，姿態(tài)控制顯得尤為重要。目前，幾乎所有的航天器在太空中進(jìn)行姿態(tài)微調(diào)時(shí)都采用姿態(tài)控制推進(jìn)器，即通過具有不同推力的發(fā)動機(jī)噴氣產(chǎn)生推力，同時(shí)調(diào)整航天器的姿態(tài)。所以一個(gè)航天器上有許多個(gè)小發(fā)動機(jī)。推力的大小、持續(xù)時(shí)間可以預(yù)先確定，其基本特點(diǎn)是不依靠空氣舵面作用，在真空環(huán)境下可以工作。例如：運(yùn)載火箭在起飛的時(shí)候，速度很低，箭體在大氣環(huán)境中只能用姿控發(fā)動機(jī)調(diào)整箭體的空間速度與方向，不能使用普通導(dǎo)彈的舵面調(diào)節(jié)姿態(tài),當(dāng)然不同類型的航天器對姿態(tài)控制有不同的要求，但一般情況下姿態(tài)控制系統(tǒng)都比較復(fù)雜，成本高、重量大、精度小，甚至對一些姿態(tài)調(diào)整無能為力。在此背景下，坎菲爾德坎連接器應(yīng)用而生，它的存在將有效地解決這些問題，其在0～90。范圍內(nèi)的任意旋轉(zhuǎn)可幫助實(shí)現(xiàn)航天器完成多種復(fù)雜的姿態(tài)調(diào)整，它將替代絕大部分的姿態(tài)控制推進(jìn)器（小型噴氣發(fā)動機(jī)），只需幾個(gè)坎菲爾德連接器就能完成所有動作，并且成本較低，精度高，是理想的新型姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)，前景十分明朗。

2 項(xiàng)目制作目的和意義

航天器在工作時(shí)需要保持特定的姿態(tài)，同時(shí)又需要一定的可靠性?？卜茽柕逻B接器的應(yīng)用對解決航天器重量大、姿態(tài)調(diào)整的精度和效率低下等問題有著重要作用，它的使用將縮減姿態(tài)控制推進(jìn)器（小型噴氣發(fā)動機(jī)）的數(shù)量，對航天器的性能會有很大提升。同時(shí)，還可廣泛應(yīng)用于需要旋轉(zhuǎn)的物體上，如用于攝像頭端可以實(shí)現(xiàn)多角度拍攝；用于太陽能帆板上可以隨時(shí)面向太陽提高能量轉(zhuǎn)換的效率，也可以應(yīng)用于機(jī)械臂使之更加靈活可靠。

3 項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

坎菲爾德連接器僅僅需要簡單桿件和少許零件就可以組裝而成，它的工作平面可以實(shí)現(xiàn)到任何方向的運(yùn)動，快速、穩(wěn)定且可靠?？卜茽柕逻B接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡潔，由一系列運(yùn)動鏈組成，具有機(jī)械美感，運(yùn)動高效。由于幾乎沒有任何資料和前人的經(jīng)驗(yàn)可循，我們制作的坎菲爾德連接器也許達(dá)不到前文所說的那樣簡潔靈活，但我們會盡力達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。

4 制作過程

經(jīng)過多方面查詢與了解，我們以前人的設(shè)想為基礎(chǔ)，融合了自己的一些想法，做了一些改進(jìn)，例如兩個(gè)平面間的轉(zhuǎn)動副連接采取弧形結(jié)構(gòu)，有效提高坎菲爾德連接器的性能并增強(qiáng)美感。圖1，圖2，圖3是我們設(shè)計(jì)的坎菲爾德連接器的3D零部件模型圖紙。

圖4為坎菲爾德連接器的主要部件，設(shè)計(jì)尺寸為：長170mm，寬400mm，高900mm，圓柱半徑140mm，高740mm。我們采用3D打印機(jī)技術(shù)打印出坎菲爾德連接器的各零部件，打印出的部分零部件成品如圖5、圖6所示。

圖1 坎菲爾德連接機(jī)構(gòu)各零件圖

圖2 坎菲爾德連接機(jī)構(gòu)成品圖

圖3 坎菲爾德連接器的模型及成品樣式圖

圖7為坎菲爾德連接器的底座，一個(gè)為固定底面，另一個(gè)是工作平面。設(shè)計(jì)的尺寸為：高400mm，凸出部分長800mm，寬340mm。圖8和9為坎菲爾德連接器實(shí)物圖和運(yùn)轉(zhuǎn)示意圖。

5 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和功能

5.1 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

該連接機(jī)構(gòu)由上、下兩個(gè)平面，六個(gè)主要部件和六個(gè)連接部件通過螺絲釘和熱熔膠連接而成如圖8所示。上平面為工作平面，下平面作為固定平面。該機(jī)構(gòu)成輻射狀，分為三個(gè)相同一模一樣的組合體，每一個(gè)組合體由兩個(gè)主要部件和兩個(gè)連接部件組成，兩個(gè)連接部件分別與工作平面和固定平面連接。為了使坎菲爾德連接機(jī)構(gòu)自動工作，原計(jì)劃通過三個(gè)電機(jī)聯(lián)合控制最下面的三個(gè)主要部件，這樣可以通過聯(lián)動從而使工作平面實(shí)現(xiàn)運(yùn)動。如果控制好三個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動可以讓工作平面到達(dá)0～90。范圍內(nèi)的任何一個(gè)方向。但由于種種原因沒有安裝電機(jī)，只能手動控制。

5.2 機(jī)構(gòu)功能

圖4 3D打印的坎菲爾德連接器主要部件

圖5 3D打印的坎菲爾德連接器連接部件

該機(jī)構(gòu)應(yīng)用時(shí)只需要將底面固定在所應(yīng)用的物體上，其工作平面與需要實(shí)現(xiàn)多自由度的物體固定，就可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動。以航天器的小推力發(fā)動機(jī)為例如圖10所示，下平面與飛行器固定連接，工作平面和小發(fā)動機(jī)固定，給定控制就可以隨時(shí)穩(wěn)定地改變發(fā)動機(jī)的噴氣方向，就可以調(diào)整飛行器的姿態(tài)和方向。由于坎菲爾德連接機(jī)構(gòu)獨(dú)特的靈活性和精確性，它可以實(shí)現(xiàn)的功能種類很多。

（1）當(dāng)工作平面和固定平面需要平行移動時(shí)，該機(jī)構(gòu)只需同時(shí)調(diào)整每個(gè)組合體上兩個(gè)主要部件旋轉(zhuǎn)相同的角度即可達(dá)到目的。

（2）當(dāng)工作平面和固定平面需要非平行移動時(shí)，該機(jī)構(gòu)只需同時(shí)調(diào)整每個(gè)組合體上兩個(gè)主要部件旋轉(zhuǎn)不同的角度，通常情況下使兩個(gè)組合體上主要部件旋轉(zhuǎn)的角度相同而另一個(gè)組合體上主要部件旋轉(zhuǎn)的角度與之不同或者三個(gè)組合體上的主要部件旋轉(zhuǎn)的角度均不相同即可達(dá)到目的。

6 機(jī)構(gòu)應(yīng)用

以上闡述了坎菲爾德連接機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和功能，其結(jié)構(gòu)簡單、可靠，可應(yīng)用于許多方面。本項(xiàng)目的基本設(shè)想是提高航天器姿態(tài)控制效率，縮減航天器重量，除此之外外，該機(jī)構(gòu)還可應(yīng)用于太陽能電池板、航天器連接機(jī)構(gòu)等方面。在地面上，可以將攝像頭固定在該連接機(jī)構(gòu)的工作平面上，固定平面與其它移動裝置相連，這樣由于工作平面的靈活可以實(shí)現(xiàn)多方向的無人拍攝。例如：應(yīng)用于航拍方面將大幅度的提高拍攝角度和靈敏度，同時(shí)獲取更多的圖像。本機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，我們可以保留機(jī)構(gòu)連接方式而縮小機(jī)構(gòu)的大小，使之更加精致和小巧且功能不受影響。所以可將這個(gè)小型機(jī)構(gòu)用于探測其它設(shè)備無法探測的狹縫和小洞穴，還可以用于各種機(jī)器人肢體和機(jī)械臂的部件連接，使之更靈敏。

圖6 3D打印的坎菲爾德連接器平面部件

圖7 3D打印的坎菲爾德連接器的底座

圖8 坎菲爾德連接器整體實(shí)物圖

7 后期計(jì)劃

本文中的坎菲爾德連接機(jī)構(gòu)作品僅僅是一個(gè)機(jī)械成品，或者說是一個(gè)模型。由于它是用3D打印制作出來的，材料、硬度等方面并沒有達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，而且很難進(jìn)行應(yīng)用。所以我們計(jì)劃用合金或者不銹鋼等其它材料再做一個(gè)坎菲爾德連接器，使坎菲爾德連接機(jī)構(gòu)盡量減輕重量同時(shí)提高硬度，之后展開應(yīng)用并測試性能。由于時(shí)間關(guān)系，計(jì)劃中的電機(jī)控制部分沒有安裝和工作，所以目前機(jī)構(gòu)所有的工作狀態(tài)都是通過手動來代替電機(jī)控制，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動狀態(tài)，但這個(gè)機(jī)構(gòu)已經(jīng)從實(shí)際中展示了它的靈活性和實(shí)用性，該機(jī)械模型也驗(yàn)證了這個(gè)設(shè)想的可行性。所以我們后續(xù)將繼續(xù)完善這個(gè)機(jī)構(gòu)。當(dāng)然除用電機(jī)以外還可以考慮液壓或者氣動的動力裝置來提高機(jī)構(gòu)的工作效率，使其更加靈活，達(dá)到甚至超越預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 坎菲爾德連接器運(yùn)轉(zhuǎn)示意圖

圖10 應(yīng)用于航天器上的設(shè)想圖

8 結(jié)語

在本篇論文中，我們設(shè)計(jì)并展現(xiàn)了一個(gè)新型連接機(jī)構(gòu)——坎菲爾德連接器。該機(jī)構(gòu)是對航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)改進(jìn)的一種設(shè)想。我們通過查閱資料，分析與思考之后設(shè)計(jì)了全新的連接器圖紙并用3D打印機(jī)將其制作出來。該機(jī)構(gòu)通過三個(gè)組合體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，依靠各個(gè)部件的相互旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)一個(gè)工作平面上0～90。范圍內(nèi)任一方向的運(yùn)動。整個(gè)連接機(jī)構(gòu)原計(jì)劃是通過三個(gè)電機(jī)協(xié)同控制實(shí)現(xiàn)的，由于多方面因素，只能手動使機(jī)構(gòu)工作。整個(gè)機(jī)構(gòu)呈獨(dú)特的籠狀結(jié)構(gòu)，利用適當(dāng)?shù)膱?zhí)行機(jī)構(gòu)會使整個(gè)工作平面以驚人的速度和準(zhǔn)確的精度運(yùn)行。由于其結(jié)構(gòu)簡潔、運(yùn)動靈活和自由度大等鮮明特點(diǎn)，未來可應(yīng)用于廣泛領(lǐng)域。上至航天器姿態(tài)控制，下至控制攝像頭旋轉(zhuǎn)，其應(yīng)用范圍將超乎想象，將開創(chuàng)連接器領(lǐng)域的新篇章。

致謝：感謝北京市第三十五中學(xué)提供的這次機(jī)會，感謝實(shí)驗(yàn)室導(dǎo)師胡靜老師的幫助與鼓勵(lì)，讓我們在一次次挫折中勇敢站起來。也感謝背后支持鼓勵(lì)我們的家長、老師和同學(xué)們。再次感謝所有給予我們幫助的人們！