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[1]。國務院頒布的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（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，在全國范圍內有了較大的普及，科技館領域尤其對這類科普題材進行了大量的研究和應用。

借助國家科技支撐計劃“高新技術互動體驗系列展品展示關鍵技術研發”課題（2015BAK34B02），本文設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載荷及探測任務、嫦娥探測器的繞月和落月過程，區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意新穎的方式展示了探月工程成果。

1 裝置總體設計

1.1 裝置總體結構

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

圖1 裝置總成結構圖

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，對應每項任務，探測器搭載有相應的科學載荷?；谔綔y器任務和搭載的相應科學載荷，開發了虛擬選擇設計觸摸屏互動。

月球模型通過磁吸式月球機構固定于面板（PVC材質）上，并在月球模型旋轉機構的帶動下，在垂直平面內繞地球模型360°旋轉。虛擬設計完成后，觸摸屏中出現虛擬發射多媒體場景，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、月球模型旋轉機構、面板等結構。月球查詢系統通過觸摸屏查詢的方式展示探月工程獲取的月面影像數據。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合演示，通過月球查詢系統提供月面影像數據的觸摸屏查詢互動。

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，對應每項任務，探測器搭載有相應的科學載荷。游客點擊臺體上的4 臺觸摸互動顯示器中任意一臺，4 臺觸摸屏會同時進入某一種探測器的虛擬選擇設計任務。觸摸屏上會顯示相應型號嫦娥探測器需要執行的探測任務和科學載荷選項，游客根據探測任務要求，選擇正確的科學載荷，選擇錯誤時，給出提示。每個探測任務的科學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繞月探測，嫦娥二號探測器為嫦娥三號探測器的先導星，嫦娥三號探測器實現了月面軟著陸，每個探測器的飛行軌道都不相同[3]。虛擬選擇設計完成后，觸摸屏中出現虛擬發射多媒體場景。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。地球模型處出現虛擬探測器，月球模型開始繞地球模型旋轉運動。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。

2.3 月球查詢系統

月球查詢系統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 裝置關鍵結構設計

3.1 磁吸式月球機構設計

月球模型要在垂直面內360°旋轉運動，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重影響投影畫面。本文提出了磁吸式月球機構的設計，磁力傳動類的機構在國內已有較多的研究和應用[5]，本文設計的磁吸式月球機構主要由月球模型、萬向軸承、內吸盤、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，內吸盤上固定強磁鐵和萬向軸承，并與旋轉板連接。外吸盤與內吸盤通過磁鐵對吸在一起，并通過萬向軸承對夾在面板上。結構示意圖如圖3 所示。

圖3 磁吸式月球機構示意圖

當內吸盤運動時，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，既能實現月球模型的平穩受控運動，又避免了對面板的破壞，保證了投影畫面效果，該機構為本文的創新設計點之一。

3.2 月球模型旋轉機構設計

月球模型旋轉機構由回轉軸承、內齒輪、旋轉板、伺服電機等組成，主要實現月球模型在垂直平面內圍繞地球模型360°旋轉?？紤]到實際尺寸，地月模型和距離未按照實際進行等比例縮小。地球模型直徑設計為600 mm，月球模型直徑設計為200 mm，旋轉半徑設計為950 mm。伺服電機通過內齒輪帶動回轉軸承內齒轉動，旋轉板固定在回轉軸承內齒上隨動，磁吸式月球機構的內吸盤與旋轉板固定。因此，當伺服電機轉動時即可帶動月球模型繞地球模型旋轉運動。結構示意圖如圖4 所示。

圖4 月球模型旋轉機構示意圖

4 結論

4.1 裝置實物

經過反復測試，裝置的設計切實可行。觸摸屏完成嫦娥探測器虛擬選擇設計后，月球模型在伺服電機控制下，繞地球模型平穩運動，投影多媒體演示探測器繞落月軌道過程，多媒體內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合，通過趣味新穎的方式，展示了嫦娥探測器的科學載荷及探測任務、嫦娥探測器的繞月和落月過程等內容，相較于常見的靜態模型或純多媒體影片，本文設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用于其他的展示場合。