一种以探月工程为主题的磁吸式机电展示装置

王明旭，朱云龙，余尚洋，秦承运，吴少明

（合肥探奥自动化有限公司，合肥230027）

0 引言

月球是地球唯一的天然卫星，是距离地球最近的天地。月球一直是人类观察研究的对象，是人类开展深空探测的首选目标[1]。国务院颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020）》，明确将“载人航天与探月工程”列入国家重大科技专项[2]。近几年，围绕探月工程类的科普教育，在全国范围内有了较大的普及，科技馆领域尤其对这类科普题材进行了大量的研究和应用。

借助国家科技支撑计划“高新技术互动体验系列展品展示关键技术研发”课题（2015BAK34B02），本文设计了一种磁吸式机电展示装置，用于展示嫦娥探测器的科学载荷及探测任务、嫦娥探测器的绕月和落月过程，区别于以往常见的模型或纯多媒体影片的展示方式，该机电装置以一种较为创意新颖的方式展示了探月工程成果。

1 装置总体设计

1.1 装置总体结构

装置主要包含地球模型、磁吸式月球机构（含月球模型）、月球模型旋转机构、操作台、触摸屏、投影仪、面板、框架、月球查询系统等结构。装置总成结构如图1 所示。

图1 装置总成结构图

1.2 装置各个模块功能

操作台上安装有4 台触摸屏，用于进行嫦娥探测器虚拟选择设计互动。探月工程中，嫦娥一号至嫦娥三号探测器都有特定的探测任务，对应每项任务，探测器搭载有相应的科学载荷。基于探测器任务和搭载的相应科学载荷，开发了虚拟选择设计触摸屏互动。

月球模型通过磁吸式月球机构固定于面板（PVC材质）上，并在月球模型旋转机构的带动下，在垂直平面内绕地球模型360°旋转。虚拟设计完成后，触摸屏中出现虚拟发射多媒体场景，触摸屏中的虚拟火箭升空后，投影画面开始演示嫦娥探测器的飞行轨道和过程。

框架用40 mm*40 mm*2.5 mm 方管焊接制作，用于安装固定地球模型、月球模型旋转机构、面板等结构。月球查询系统通过触摸屏查询的方式展示探月工程获取的月面影像数据。游客在触摸屏主界面上选择感兴趣的月球地名分类，再选择感兴趣的地名，界面展示该地名的月面影像。

综上所述，装置主要通过操作台上的4 台触摸屏和软件提供嫦娥探测器的虚拟选择设计互动，通过月球模型、地球模型和投影多媒体，进行嫦娥探测器绕月和落月过程的虚实结合演示，通过月球查询系统提供月面影像数据的触摸屏查询互动。

2 装置运行原理

2.1 嫦娥探测器虚拟选择设计

探月工程中，嫦娥一号至嫦娥三号探测器都有特定的探测任务，对应每项任务，探测器搭载有相应的科学载荷。游客点击台体上的4 台触摸互动显示器中任意一台，4 台触摸屏会同时进入某一种探测器的虚拟选择设计任务。触摸屏上会显示相应型号嫦娥探测器需要执行的探测任务和科学载荷选项，游客根据探测任务要求，选择正确的科学载荷，选择错误时，给出提示。每个探测任务的科学载荷选择同时只能在一个触摸屏中进行。操作流程如图2 所示。

图2 虚拟选择设计流程图

2.2 嫦娥探测器绕落月过程演示

嫦娥一号探测器主要实现绕月探测，嫦娥二号探测器为嫦娥三号探测器的先导星，嫦娥三号探测器实现了月面软着陆，每个探测器的飞行轨道都不相同[3]。虚拟选择设计完成后，触摸屏中出现虚拟发射多媒体场景。虚拟火箭升空后，投影画面开始演示嫦娥探测器飞行轨道和过程。地球模型处出现虚拟探测器，月球模型开始绕地球模型旋转运动。虚拟探测器逐渐远离地球半球模型，飞向月球半球模型，通过多媒体投影与实物模型运动虚实结合的方式展示了探测器的整个飞行轨道，并配合语音介绍探测器开展的探测任务。

2.3 月球查询系统

月球查询系统主要提供月球地名查询，游客在主界面上选择感兴趣的月球地名分类，再进入地名选择界面，选择感兴趣的地名，展示该地名的月面影像。地名包括月海、撞击坑、月球山脉、月溪与月谷、以及以中国人名字命名的地名[4]。

3 装置关键结构设计

3.1 磁吸式月球机构设计

月球模型要在垂直面内360°旋转运动，若采用固定轨道的方式，则需要在面板上开槽，安装轨道，而面板需要投影多媒体画面，面板上的轨道则会严重影响投影画面。本文提出了磁吸式月球机构的设计，磁力传动类的机构在国内已有较多的研究和应用[5]，本文设计的磁吸式月球机构主要由月球模型、万向轴承、内吸盘、外吸盘、强磁铁等组成。月球模型、万向轴承和强磁铁全部固定在外吸盘上，内吸盘上固定强磁铁和万向轴承，并与旋转板连接。外吸盘与内吸盘通过磁铁对吸在一起，并通过万向轴承对夹在面板上。结构示意图如图3 所示。

图3 磁吸式月球机构示意图

当内吸盘运动时，通过磁力带动外吸盘运动，即可带动固定在外吸盘上的月球模型运动。采用磁吸式机构，既能实现月球模型的平稳受控运动，又避免了对面板的破坏，保证了投影画面效果，该机构为本文的创新设计点之一。

3.2 月球模型旋转机构设计

月球模型旋转机构由回转轴承、内齿轮、旋转板、伺服电机等组成，主要实现月球模型在垂直平面内围绕地球模型360°旋转。考虑到实际尺寸，地月模型和距离未按照实际进行等比例缩小。地球模型直径设计为600 mm，月球模型直径设计为200 mm，旋转半径设计为950 mm。伺服电机通过内齿轮带动回转轴承内齿转动，旋转板固定在回转轴承内齿上随动，磁吸式月球机构的内吸盘与旋转板固定。因此，当伺服电机转动时即可带动月球模型绕地球模型旋转运动。结构示意图如图4 所示。

图4 月球模型旋转机构示意图

4 结论

4.1 装置实物

经过反复测试，装置的设计切实可行。触摸屏完成嫦娥探测器虚拟选择设计后，月球模型在伺服电机控制下，绕地球模型平稳运动，投影多媒体演示探测器绕落月轨道过程，多媒体内容匹配月球模型运动。目前，该装置已由课题组织单位捐赠给国内某科技馆，装置目前运行良好。装置实物图片如图5 所示。

图5 装置实物图

4.2 装置创新点说明

装置将触摸屏多媒体互动、多媒体投影与模型运动虚实结合，通过趣味新颖的方式，展示了嫦娥探测器的科学载荷及探测任务、嫦娥探测器的绕月和落月过程等内容，相较于常见的静态模型或纯多媒体影片，本文设计的装置科普展示效果有了较大提升。该装置展示形式也可拓展应用于其他的展示场合。