一種以探月工程為主題的磁吸式機電展示裝置

王明旭，朱云龍，余尚洋，秦承運，吳少明

（合肥探奧自動化有限公司，合肥230027）

0 引言

月球是地球唯一的天然衛(wèi)星，是距離地球最近的天地。月球一直是人類觀察研究的對象，是人類開展深空探測的首選目標(biāo)[1]。國務(wù)院頒布的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006～2020）》，明確將“載人航天與探月工程”列入國家重大科技專項[2]。近幾年，圍繞探月工程類的科普教育，在全國范圍內(nèi)有了較大的普及，科技館領(lǐng)域尤其對這類科普題材進行了大量的研究和應(yīng)用。

借助國家科技支撐計劃“高新技術(shù)互動體驗系列展品展示關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)”課題（2015BAK34B02），本文設(shè)計了一種磁吸式機電展示裝置，用于展示嫦娥探測器的科學(xué)載荷及探測任務(wù)、嫦娥探測器的繞月和落月過程，區(qū)別于以往常見的模型或純多媒體影片的展示方式，該機電裝置以一種較為創(chuàng)意新穎的方式展示了探月工程成果。

1 裝置總體設(shè)計

1.1 裝置總體結(jié)構(gòu)

裝置主要包含地球模型、磁吸式月球機構(gòu)（含月球模型）、月球模型旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、操作臺、觸摸屏、投影儀、面板、框架、月球查詢系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)。裝置總成結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 裝置總成結(jié)構(gòu)圖

1.2 裝置各個模塊功能

操作臺上安裝有4 臺觸摸屏，用于進行嫦娥探測器虛擬選擇設(shè)計互動。探月工程中，嫦娥一號至嫦娥三號探測器都有特定的探測任務(wù)，對應(yīng)每項任務(wù)，探測器搭載有相應(yīng)的科學(xué)載荷?；谔綔y器任務(wù)和搭載的相應(yīng)科學(xué)載荷，開發(fā)了虛擬選擇設(shè)計觸摸屏互動。

月球模型通過磁吸式月球機構(gòu)固定于面板（PVC材質(zhì)）上，并在月球模型旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的帶動下，在垂直平面內(nèi)繞地球模型360°旋轉(zhuǎn)。虛擬設(shè)計完成后，觸摸屏中出現(xiàn)虛擬發(fā)射多媒體場景，觸摸屏中的虛擬火箭升空后，投影畫面開始演示嫦娥探測器的飛行軌道和過程。

框架用40 mm*40 mm*2.5 mm 方管焊接制作，用于安裝固定地球模型、月球模型旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、面板等結(jié)構(gòu)。月球查詢系統(tǒng)通過觸摸屏查詢的方式展示探月工程獲取的月面影像數(shù)據(jù)。游客在觸摸屏主界面上選擇感興趣的月球地名分類，再選擇感興趣的地名，界面展示該地名的月面影像。

綜上所述，裝置主要通過操作臺上的4 臺觸摸屏和軟件提供嫦娥探測器的虛擬選擇設(shè)計互動，通過月球模型、地球模型和投影多媒體，進行嫦娥探測器繞月和落月過程的虛實結(jié)合演示，通過月球查詢系統(tǒng)提供月面影像數(shù)據(jù)的觸摸屏查詢互動。

2 裝置運行原理

2.1 嫦娥探測器虛擬選擇設(shè)計

探月工程中，嫦娥一號至嫦娥三號探測器都有特定的探測任務(wù)，對應(yīng)每項任務(wù)，探測器搭載有相應(yīng)的科學(xué)載荷。游客點擊臺體上的4 臺觸摸互動顯示器中任意一臺，4 臺觸摸屏?xí)瑫r進入某一種探測器的虛擬選擇設(shè)計任務(wù)。觸摸屏上會顯示相應(yīng)型號嫦娥探測器需要執(zhí)行的探測任務(wù)和科學(xué)載荷選項，游客根據(jù)探測任務(wù)要求，選擇正確的科學(xué)載荷，選擇錯誤時，給出提示。每個探測任務(wù)的科學(xué)載荷選擇同時只能在一個觸摸屏中進行。操作流程如圖2 所示。

圖2 虛擬選擇設(shè)計流程圖

2.2 嫦娥探測器繞落月過程演示

嫦娥一號探測器主要實現(xiàn)繞月探測，嫦娥二號探測器為嫦娥三號探測器的先導(dǎo)星，嫦娥三號探測器實現(xiàn)了月面軟著陸，每個探測器的飛行軌道都不相同[3]。虛擬選擇設(shè)計完成后，觸摸屏中出現(xiàn)虛擬發(fā)射多媒體場景。虛擬火箭升空后，投影畫面開始演示嫦娥探測器飛行軌道和過程。地球模型處出現(xiàn)虛擬探測器，月球模型開始繞地球模型旋轉(zhuǎn)運動。虛擬探測器逐漸遠離地球半球模型，飛向月球半球模型，通過多媒體投影與實物模型運動虛實結(jié)合的方式展示了探測器的整個飛行軌道，并配合語音介紹探測器開展的探測任務(wù)。

2.3 月球查詢系統(tǒng)

月球查詢系統(tǒng)主要提供月球地名查詢，游客在主界面上選擇感興趣的月球地名分類，再進入地名選擇界面，選擇感興趣的地名，展示該地名的月面影像。地名包括月海、撞擊坑、月球山脈、月溪與月谷、以及以中國人名字命名的地名[4]。

3 裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 磁吸式月球機構(gòu)設(shè)計

月球模型要在垂直面內(nèi)360°旋轉(zhuǎn)運動，若采用固定軌道的方式，則需要在面板上開槽，安裝軌道，而面板需要投影多媒體畫面，面板上的軌道則會嚴(yán)重影響投影畫面。本文提出了磁吸式月球機構(gòu)的設(shè)計，磁力傳動類的機構(gòu)在國內(nèi)已有較多的研究和應(yīng)用[5]，本文設(shè)計的磁吸式月球機構(gòu)主要由月球模型、萬向軸承、內(nèi)吸盤、外吸盤、強磁鐵等組成。月球模型、萬向軸承和強磁鐵全部固定在外吸盤上，內(nèi)吸盤上固定強磁鐵和萬向軸承，并與旋轉(zhuǎn)板連接。外吸盤與內(nèi)吸盤通過磁鐵對吸在一起，并通過萬向軸承對夾在面板上。結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

圖3 磁吸式月球機構(gòu)示意圖

當(dāng)內(nèi)吸盤運動時，通過磁力帶動外吸盤運動，即可帶動固定在外吸盤上的月球模型運動。采用磁吸式機構(gòu)，既能實現(xiàn)月球模型的平穩(wěn)受控運動，又避免了對面板的破壞，保證了投影畫面效果，該機構(gòu)為本文的創(chuàng)新設(shè)計點之一。

3.2 月球模型旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計

月球模型旋轉(zhuǎn)機構(gòu)由回轉(zhuǎn)軸承、內(nèi)齒輪、旋轉(zhuǎn)板、伺服電機等組成，主要實現(xiàn)月球模型在垂直平面內(nèi)圍繞地球模型360°旋轉(zhuǎn)。考慮到實際尺寸，地月模型和距離未按照實際進行等比例縮小。地球模型直徑設(shè)計為600 mm，月球模型直徑設(shè)計為200 mm，旋轉(zhuǎn)半徑設(shè)計為950 mm。伺服電機通過內(nèi)齒輪帶動回轉(zhuǎn)軸承內(nèi)齒轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)板固定在回轉(zhuǎn)軸承內(nèi)齒上隨動，磁吸式月球機構(gòu)的內(nèi)吸盤與旋轉(zhuǎn)板固定。因此，當(dāng)伺服電機轉(zhuǎn)動時即可帶動月球模型繞地球模型旋轉(zhuǎn)運動。結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。

圖4 月球模型旋轉(zhuǎn)機構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

4.1 裝置實物

經(jīng)過反復(fù)測試，裝置的設(shè)計切實可行。觸摸屏完成嫦娥探測器虛擬選擇設(shè)計后，月球模型在伺服電機控制下，繞地球模型平穩(wěn)運動，投影多媒體演示探測器繞落月軌道過程，多媒體內(nèi)容匹配月球模型運動。目前，該裝置已由課題組織單位捐贈給國內(nèi)某科技館，裝置目前運行良好。裝置實物圖片如圖5 所示。

圖5 裝置實物圖

4.2 裝置創(chuàng)新點說明

裝置將觸摸屏多媒體互動、多媒體投影與模型運動虛實結(jié)合，通過趣味新穎的方式，展示了嫦娥探測器的科學(xué)載荷及探測任務(wù)、嫦娥探測器的繞月和落月過程等內(nèi)容，相較于常見的靜態(tài)模型或純多媒體影片，本文設(shè)計的裝置科普展示效果有了較大提升。該裝置展示形式也可拓展應(yīng)用于其他的展示場合。