坎菲爾德連接器的設(shè)計與制作

令卓凡 岳永昕 胡靜

（北京市第三十五中學，北京 100034）

1 項目背景

航天器在軌道運行時，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行姿態(tài)微調(diào)時都采用姿態(tài)控制推進器，即通過具有不同推力的發(fā)動機噴氣產(chǎn)生推力，同時調(diào)整航天器的姿態(tài)。所以一個航天器上有許多個小發(fā)動機。推力的大小、持續(xù)時間可以預(yù)先確定，其基本特點是不依靠空氣舵面作用，在真空環(huán)境下可以工作。例如：運載火箭在起飛的時候，速度很低，箭體在大氣環(huán)境中只能用姿控發(fā)動機調(diào)整箭體的空間速度與方向，不能使用普通導彈的舵面調(diào)節(jié)姿態(tài),當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)控制推進器（小型噴氣發(fā)動機），只需幾個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)控制機構(gòu)，前景十分明朗。

2 項目制作目的和意義

航天器在工作時需要保持特定的姿態(tài)，同時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)控制推進器（小型噴氣發(fā)動機）的數(shù)量，對航天器的性能會有很大提升。同時，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現(xiàn)多角度拍攝；用于太陽能帆板上可以隨時面向太陽提高能量轉(zhuǎn)換的效率，也可以應(yīng)用于機械臂使之更加靈活可靠。

3 項目創(chuàng)新點

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現(xiàn)到任何方向的運動，快速、穩(wěn)定且可靠?？卜茽柕逻B接器結(jié)構(gòu)設(shè)計簡潔，由一系列運動鏈組成，具有機械美感，運動高效。由于幾乎沒有任何資料和前人的經(jīng)驗可循，我們制作的坎菲爾德連接器也許達不到前文所說的那樣簡潔靈活，但我們會盡力達到預(yù)期標準。

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，例如兩個平面間的轉(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美感。圖1，圖2，圖3是我們設(shè)計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)計尺寸為：長170mm，寬400mm，高900mm，圓柱半徑140mm，高740mm。我們采用3D打印機技術(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 坎菲爾德連接機構(gòu)各零件圖

圖2 坎菲爾德連接機構(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，一個為固定底面，另一個是工作平面。設(shè)計的尺寸為：高400mm，凸出部分長800mm，寬340mm。圖8和9為坎菲爾德連接器實物圖和運轉(zhuǎn)示意圖。

5 機構(gòu)結(jié)構(gòu)和功能

5.1 機構(gòu)結(jié)構(gòu)

該連接機構(gòu)由上、下兩個平面，六個主要部件和六個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。該機構(gòu)成輻射狀，分為三個相同一模一樣的組合體，每一個組合體由兩個主要部件和兩個連接部件組成，兩個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構(gòu)自動工作，原計劃通過三個電機聯(lián)合控制最下面的三個主要部件，這樣可以通過聯(lián)動從而使工作平面實現(xiàn)運動。如果控制好三個電機的轉(zhuǎn)動可以讓工作平面到達0～90。范圍內(nèi)的任何一個方向。但由于種種原因沒有安裝電機，只能手動控制。

5.2 機構(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

該機構(gòu)應(yīng)用時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現(xiàn)多自由度的物體固定，就可以實現(xiàn)運動。以航天器的小推力發(fā)動機為例如圖10所示，下平面與飛行器固定連接，工作平面和小發(fā)動機固定，給定控制就可以隨時穩(wěn)定地改變發(fā)動機的噴氣方向，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構(gòu)獨特的靈活性和精確性，它可以實現(xiàn)的功能種類很多。

（1）當工作平面和固定平面需要平行移動時，該機構(gòu)只需同時調(diào)整每個組合體上兩個主要部件旋轉(zhuǎn)相同的角度即可達到目的。

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

6 機構(gòu)應(yīng)用

以上闡述了坎菲爾德連接機構(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，該機構(gòu)還可應(yīng)用于太陽能電池板、航天器連接機構(gòu)等方面。在地面上，可以將攝像頭固定在該連接機構(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，同時獲取更多的圖像。本機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，我們可以保留機構(gòu)連接方式而縮小機構(gòu)的大小，使之更加精致和小巧且功能不受影響。所以可將這個小型機構(gòu)用于探測其它設(shè)備無法探測的狹縫和小洞穴，還可以用于各種機器人肢體和機械臂的部件連接，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物圖

7 后期計劃

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

圖9 坎菲爾德連接器運轉(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)計并展現(xiàn)了一個新型連接機構(gòu)——坎菲爾德連接器。該機構(gòu)是對航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)改進的一種設(shè)想。我們通過查閱資料，分析與思考之后設(shè)計了全新的連接器圖紙并用3D打印機將其制作出來。該機構(gòu)通過三個組合體的旋轉(zhuǎn)運動，依靠各個部件的相互旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)一個工作平面上0～90。范圍內(nèi)任一方向的運動。整個連接機構(gòu)原計劃是通過三個電機協(xié)同控制實現(xiàn)的，由于多方面因素，只能手動使機構(gòu)工作。整個機構(gòu)呈獨特的籠狀結(jié)構(gòu)，利用適當?shù)膱?zhí)行機構(gòu)會使整個工作平面以驚人的速度和準確的精度運行。由于其結(jié)構(gòu)簡潔、運動靈活和自由度大等鮮明特點，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提供的這次機會，感謝實驗室導師胡靜老師的幫助與鼓勵，讓我們在一次次挫折中勇敢站起來。也感謝背后支持鼓勵我們的家長、老師和同學們。再次感謝所有給予我們幫助的人們！