坎菲尔德连接器的设计与制作

令卓凡 岳永昕 胡静

（北京市第三十五中学，北京 100034）

1 项目背景

航天器在轨道运行时，为了完成它所承载的任务，必须具有一定的姿态，因此，姿态控制显得尤为重要。目前，几乎所有的航天器在太空中进行姿态微调时都采用姿态控制推进器，即通过具有不同推力的发动机喷气产生推力，同时调整航天器的姿态。所以一个航天器上有许多个小发动机。推力的大小、持续时间可以预先确定，其基本特点是不依靠空气舵面作用，在真空环境下可以工作。例如：运载火箭在起飞的时候，速度很低，箭体在大气环境中只能用姿控发动机调整箭体的空间速度与方向，不能使用普通导弹的舵面调节姿态,当然不同类型的航天器对姿态控制有不同的要求，但一般情况下姿态控制系统都比较复杂，成本高、重量大、精度小，甚至对一些姿态调整无能为力。在此背景下，坎菲尔德坎连接器应用而生，它的存在将有效地解决这些问题，其在0～90。范围内的任意旋转可帮助实现航天器完成多种复杂的姿态调整，它将替代绝大部分的姿态控制推进器（小型喷气发动机），只需几个坎菲尔德连接器就能完成所有动作，并且成本较低，精度高，是理想的新型姿态控制机构，前景十分明朗。

2 项目制作目的和意义

航天器在工作时需要保持特定的姿态，同时又需要一定的可靠性。坎菲尔德连接器的应用对解决航天器重量大、姿态调整的精度和效率低下等问题有着重要作用，它的使用将缩减姿态控制推进器（小型喷气发动机）的数量，对航天器的性能会有很大提升。同时，还可广泛应用于需要旋转的物体上，如用于摄像头端可以实现多角度拍摄；用于太阳能帆板上可以随时面向太阳提高能量转换的效率，也可以应用于机械臂使之更加灵活可靠。

3 项目创新点

坎菲尔德连接器仅仅需要简单杆件和少许零件就可以组装而成，它的工作平面可以实现到任何方向的运动，快速、稳定且可靠。坎菲尔德连接器结构设计简洁，由一系列运动链组成，具有机械美感，运动高效。由于几乎没有任何资料和前人的经验可循，我们制作的坎菲尔德连接器也许达不到前文所说的那样简洁灵活，但我们会尽力达到预期标准。

4 制作过程

经过多方面查询与了解，我们以前人的设想为基础，融合了自己的一些想法，做了一些改进，例如两个平面间的转动副连接采取弧形结构，有效提高坎菲尔德连接器的性能并增强美感。图1，图2，图3是我们设计的坎菲尔德连接器的3D零部件模型图纸。

图4为坎菲尔德连接器的主要部件，设计尺寸为：长170mm，宽400mm，高900mm，圆柱半径140mm，高740mm。我们采用3D打印机技术打印出坎菲尔德连接器的各零部件，打印出的部分零部件成品如图5、图6所示。

图1 坎菲尔德连接机构各零件图

图2 坎菲尔德连接机构成品图

图3 坎菲尔德连接器的模型及成品样式图

图7为坎菲尔德连接器的底座，一个为固定底面，另一个是工作平面。设计的尺寸为：高400mm，凸出部分长800mm，宽340mm。图8和9为坎菲尔德连接器实物图和运转示意图。

5 机构结构和功能

5.1 机构结构

该连接机构由上、下两个平面，六个主要部件和六个连接部件通过螺丝钉和热熔胶连接而成如图8所示。上平面为工作平面，下平面作为固定平面。该机构成辐射状，分为三个相同一模一样的组合体，每一个组合体由两个主要部件和两个连接部件组成，两个连接部件分别与工作平面和固定平面连接。为了使坎菲尔德连接机构自动工作，原计划通过三个电机联合控制最下面的三个主要部件，这样可以通过联动从而使工作平面实现运动。如果控制好三个电机的转动可以让工作平面到达0～90。范围内的任何一个方向。但由于种种原因没有安装电机，只能手动控制。

5.2 机构功能

图4 3D打印的坎菲尔德连接器主要部件

图5 3D打印的坎菲尔德连接器连接部件

该机构应用时只需要将底面固定在所应用的物体上，其工作平面与需要实现多自由度的物体固定，就可以实现运动。以航天器的小推力发动机为例如图10所示，下平面与飞行器固定连接，工作平面和小发动机固定，给定控制就可以随时稳定地改变发动机的喷气方向，就可以调整飞行器的姿态和方向。由于坎菲尔德连接机构独特的灵活性和精确性，它可以实现的功能种类很多。

（1）当工作平面和固定平面需要平行移动时，该机构只需同时调整每个组合体上两个主要部件旋转相同的角度即可达到目的。

（2）当工作平面和固定平面需要非平行移动时，该机构只需同时调整每个组合体上两个主要部件旋转不同的角度，通常情况下使两个组合体上主要部件旋转的角度相同而另一个组合体上主要部件旋转的角度与之不同或者三个组合体上的主要部件旋转的角度均不相同即可达到目的。

6 机构应用

以上阐述了坎菲尔德连接机构的结构和功能，其结构简单、可靠，可应用于许多方面。本项目的基本设想是提高航天器姿态控制效率，缩减航天器重量，除此之外外，该机构还可应用于太阳能电池板、航天器连接机构等方面。在地面上，可以将摄像头固定在该连接机构的工作平面上，固定平面与其它移动装置相连，这样由于工作平面的灵活可以实现多方向的无人拍摄。例如：应用于航拍方面将大幅度的提高拍摄角度和灵敏度，同时获取更多的图像。本机构结构简单，我们可以保留机构连接方式而缩小机构的大小，使之更加精致和小巧且功能不受影响。所以可将这个小型机构用于探测其它设备无法探测的狭缝和小洞穴，还可以用于各种机器人肢体和机械臂的部件连接，使之更灵敏。

图6 3D打印的坎菲尔德连接器平面部件

图7 3D打印的坎菲尔德连接器的底座

图8 坎菲尔德连接器整体实物图

7 后期计划

本文中的坎菲尔德连接机构作品仅仅是一个机械成品，或者说是一个模型。由于它是用3D打印制作出来的，材料、硬度等方面并没有达到预期标准，而且很难进行应用。所以我们计划用合金或者不锈钢等其它材料再做一个坎菲尔德连接器，使坎菲尔德连接机构尽量减轻重量同时提高硬度，之后展开应用并测试性能。由于时间关系，计划中的电机控制部分没有安装和工作，所以目前机构所有的工作状态都是通过手动来代替电机控制，从而实现运动状态，但这个机构已经从实际中展示了它的灵活性和实用性，该机械模型也验证了这个设想的可行性。所以我们后续将继续完善这个机构。当然除用电机以外还可以考虑液压或者气动的动力装置来提高机构的工作效率，使其更加灵活，达到甚至超越预期标准。

图9 坎菲尔德连接器运转示意图

图10 应用于航天器上的设想图

8 结语

在本篇论文中，我们设计并展现了一个新型连接机构——坎菲尔德连接器。该机构是对航天器姿态控制系统改进的一种设想。我们通过查阅资料，分析与思考之后设计了全新的连接器图纸并用3D打印机将其制作出来。该机构通过三个组合体的旋转运动，依靠各个部件的相互旋转和转动来实现一个工作平面上0～90。范围内任一方向的运动。整个连接机构原计划是通过三个电机协同控制实现的，由于多方面因素，只能手动使机构工作。整个机构呈独特的笼状结构，利用适当的执行机构会使整个工作平面以惊人的速度和准确的精度运行。由于其结构简洁、运动灵活和自由度大等鲜明特点，未来可应用于广泛领域。上至航天器姿态控制，下至控制摄像头旋转，其应用范围将超乎想象，将开创连接器领域的新篇章。

致谢：感谢北京市第三十五中学提供的这次机会，感谢实验室导师胡静老师的帮助与鼓励，让我们在一次次挫折中勇敢站起来。也感谢背后支持鼓励我们的家长、老师和同学们。再次感谢所有给予我们帮助的人们！