一种融入光纤光栅并实现形状测量的软体翅膀的制作方法

本实用新型属于光纤光栅传感和软体机器人技术领域，具体涉及一种融入光纤光栅并实现形状测量的软体翅膀。

背景技术：

仿生扑翼飞行机器人具有与真实生物体相似的外观，在伪装侦察等军事领域应用前景广阔。仿生扑翼飞行机器人柔性的软体躯体，尤其是软体翅膀，其形状易受接触物、负载、甚至自身重力的影响，而掌握软体翅膀的实时形状信息对机器人的飞行效率、安全性等非常重要，但现有的软体材料的形状检测技术严重缺乏，导致软体翅膀形状信息的准确感知与检测十分困难，成为影响仿生扑翼飞行机器人精准闭环控制的一大技术难题。

常规的形状测量技术是基于电阻应变计、mems等敏感元件来设计，但这些敏感元件均存在体积大、引线数量多、易受电磁场干扰、稳定性差等缺点。而光纤光栅具备质地柔软、易植入软体材料并组网分布式测量的优势，基于光纤光栅的机器人传感技术日益受到人们重视。

公开号为“cn107364573a”的中国实用新型专利公开了一种柔性翼仿生扑翼飞行器，但是该飞行器翅膀未安装相关传感器，不能实现形状测量。公开号为“cn108163229a”的中国实用新型专利公开了一种扑翼机器人升力推力和翅膀运动信息同步检测系统及方法，该扑翼机器人能够实现翅膀运动的位移、加速度等信息，但其采用的是压电式传感器，输出响应差，信号不稳定，测量精度不高。公开号为“cn108871388a”的中国实用新型专利公开了一种光纤触觉传感器及传感阵列，该传感器同样只能测量单个方向的应变信息，不能实现高精度的形状测量。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型公开了一种融入光纤光栅并实现形状测量的软体翅膀，解决了仿生扑翼飞行机器人软体翅膀形状信息难以获得的技术难题，能够实现对软体翅膀的形状测量，且软体翅膀质量轻、体积小、测量精度高。

为此，本实用新型采用了以下技术方案：

一种融入光纤光栅并实现形状测量的软体翅膀，包括躯干和软体翅膀，所述软体翅膀为软体材料制成的翅膀状结构，所述躯干为长条形结构，用于装配软体翅膀；所述软体翅膀内设有第一阵列光纤光栅、第二阵列光纤光栅和阻挡块；所述第一阵列光纤光栅和第二阵列光纤光栅分别单独布置，位于不同的层，均包括若干个光纤光栅，第一阵列光纤光栅用于对软体翅膀横向形状应变的测量，第二阵列光纤光栅用于对软体翅膀纵向形状应变的测量；所述阻挡块设置在每个光纤光栅的两端，用于使光纤光栅与软体材料的结合牢固并将应变准确的传递到光纤光栅上。

优选地，所述第一阵列光纤光栅中的光纤光栅由上至下沿软体翅膀的主体边缘设置，每相邻两行保持相互平行且间隔相等，平行线与躯干的方向相垂直，每相邻的两行光纤光栅之间采用半圆过渡，光纤光栅两端的尾纤均从软体翅膀与躯干配合安装的端面引出。

优选地，所述第二阵列光纤光栅中的光纤光栅由左向右、由内向外侧沿软体翅膀的主体边缘设置，每相邻两行保持相互平行且间隔相等，平行线与躯干的方向相平行，每相邻的两行光纤光栅之间采用半圆过渡，光纤光栅两端的尾纤均从软体翅膀与躯干配合安装的端面引出。

优选地，所述软体翅膀共有四个，沿躯干的两侧对称分布；四个软体翅膀在结构、外形尺寸以及材料上均相同。

优选地，所述软体翅膀的主体采用硅胶材料制成，所述阻挡块采用快速环氧树胶。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型软体翅膀质量轻、体积小、测量精度高。

(2)单个光纤光栅两端都设置有阻挡块，使得传输光纤与软体材料结合牢固，不会产生相互滑动，使得应变信息更好的传递到光纤光栅上，有效的克服了蠕变的产生。

(3)本实用新型的软体翅膀采用的是双向光纤光栅阵列设置，可同时测量软体翅膀的横向应变和纵向应变，可实现复杂飞行状态下的软体翅膀形状测量，大大提高了测量精度。当软体翅膀产生较为复杂的飞行状态时，横向阵列光纤光栅把横向应变信息反馈给系统，与此同时，纵向阵列光纤光栅把纵向应变信息反馈给系统，系统经过对两组数据的相关处理得到软体翅膀的形状信息，从而实现对软体翅膀的形状测量。

附图说明

图1是本实用新型所提供的一种融入光纤光栅并实现形状测量的软体翅膀的结构示意图。

图2是本实用新型所提供的一种融入光纤光栅并实现形状测量的软体翅膀中单个软体翅膀的结构示意图。

图3是光纤光栅横向阵列设置的结构示意图。

图4是光纤光栅纵向阵列设置的结构示意图。

图5是阻挡块在光纤光栅两端设置的结构示意图。

图6是单个软体翅膀的局部剖面左视图。

图7是单个软体翅膀的局部剖面主视图。

图8是第一模具的轴侧视图。

图9是第二模具的主视图。

图10是第三模具的轴侧视图。

图11是本实用新型所提供的一种融入光纤光栅并实现形状测量的软体翅膀的制作方法的流程图。

附图标记说明：1、躯干；2、软体翅膀；2-1、第一阵列光纤光栅；2-2、第二阵列光纤光栅；2-3、阻挡块。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例来详细说明本实用新型，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

如图1和图2所示，本实用新型公开了一种融入光纤光栅并实现形状测量的软体翅膀，包括躯干1和软体翅膀2，所述软体翅膀2为软体材料制成的翅膀状结构，所述躯干1为长条形结构，用于装配软体翅膀2；所述软体翅膀2内设有第一阵列光纤光栅2-1、第二阵列光纤光栅2-2和阻挡块2-3；所述第一阵列光纤光栅2-1和第二阵列光纤光栅2-2分别单独布置，位于不同的层，均包括若干个光纤光栅，第一阵列光纤光栅2-1用于对软体翅膀2横向形状应变的测量，第二阵列光纤光栅2-2用于对软体翅膀2纵向形状应变的测量；所述阻挡块2-3设置在每个光纤光栅的两端，用于使光纤光栅与软体材料的结合牢固并将应变准确的传递到光纤光栅上。

具体地，如图3所示，所述第一阵列光纤光栅2-1中的光纤光栅由上至下沿软体翅膀2的主体边缘设置，每相邻两行保持相互平行且间隔相等，平行线与躯干1的方向相垂直，每相邻的两行光纤光栅之间采用半圆过渡，光纤光栅两端的尾纤均从软体翅膀2与躯干1配合安装的端面引出。

具体地，如图4所示，所述第二阵列光纤光栅2-2中的光纤光栅由左向右、由内向外侧沿软体翅膀2的主体边缘设置，每相邻两行保持相互平行且间隔相等，平行线与躯干1的方向相平行，每相邻的两行光纤光栅之间采用半圆过渡，光纤光栅两端的尾纤均从软体翅膀2与躯干1配合安装的端面引出。

具体地，所述软体翅膀2共有四个，沿躯干1的两侧对称分布；四个软体翅膀在结构、外形尺寸以及材料上均相同。

具体地，所述软体翅膀2的主体采用硅胶材料制成，型号为s-11；所述阻挡块2-3采用快速环氧树胶，型号为jh99。

本实用新型一种融入光纤光栅并实现形状测量的软体翅膀,在制造时可以采用如下步骤：

步骤一、制作用于设置横向光纤光栅且具有软体翅膀外形的第一模具；

步骤二、制作用于设置纵向光纤光栅且具有软体翅膀外形的第二模具；

步骤三、分别固定第一阵列光纤光栅2-1、第二阵列光纤光栅2-2以及设置阻挡块2-3；

步骤四、制作深度为第一模具和第二模具深度之和且具有软体翅膀外形的第三模具；

步骤五、装配后获得软体翅膀。

步骤一和步骤二的具体过程分别如下：

1.1通过3d打印采用光敏树脂材料制成第一模具；

1.2准备co2激光系统；

1.3用上述co2激光系统在第一模具底部进行蚀刻，获得横向阵列光纤光栅蚀刻槽；

1.4用上述co2激光系统在第一模具底部进行蚀刻，获得阻挡块蚀刻槽；

2.1通过3d打印采用光敏树脂材料制成第二模具；

2.2准备co2激光系统；

2.3用上述co2激光系统在第二模具底部进行蚀刻，获得纵向阵列光纤光栅蚀刻槽；

2.4用上述co2激光系统在第二模具底部进行蚀刻，获得阻挡块蚀刻槽。

步骤三的具体过程如下：

3.1将准备好的光纤光栅横向阵列放入第一模具的光纤光栅蚀刻槽内，固定好，得到第一阵列光纤光栅2-1；

3.2将准备好的光纤光栅纵向阵列放入第二模具的光纤光栅蚀刻槽内，固定好，得到第二阵列光纤光栅2-2；

3.3将快速环氧树胶分别滴入第一模具和第二模具的阻挡块蚀刻槽内；

3.4待快速环氧树胶凝固，得到阻挡块2-3。

步骤五的具体过程如下：

5.1将a、b两种液态硅胶按1：1比例均匀混合，分别倒入第一模具和第二模具，使硅胶高于模具端口；

5.2利用超声波脱气机将第一模具和第二模具混合液中的气泡除去；

5.3将第一模具和第二模具端口对端口闭合，并固定好；

5.4待硅胶凝固，取出模型，除去模型在端口处多余的固态硅胶；

5.5将模型放入第三模具中；

5.6在模型表面涂上一层薄薄的a、b硅胶1：1混合液，使模型表面光滑平整；

5.7硅胶凝固后，取出模型，将模型反面放入第三模具中；

5.8在模型表面涂上一层薄薄的a、b硅胶1：1混合液，使模型表面光滑平整；

5.9待硅胶凝固，取出模型，软体翅膀制作完成。

第一模具和第二模具具有相同的结构尺寸，步骤四中通过3d打印采用光敏树脂材料制成第三模具。

实施例

一种融入光纤光栅并实现形状测量的软体翅膀，融入具备微小体积的光纤光栅，可同时测量横向和纵向产生的应变，测量过程中不仅抗电磁干扰能力强，而且波长信号不受信号光源功率波动影响。

如图1-图7所示，该融入光纤光栅并实现形状测量的软体翅膀包括：躯干1、软体翅膀2、第一阵列光纤光栅2-1、第二阵列光纤光栅2-1、阻挡块2-3。

图2所示为软体翅膀2的结构图，软体翅膀2的主体是由硅胶材料制成，中间融入有横向和纵向阵列串联设置的光纤光栅。

图3和图4分别为第一阵列光纤光栅2-1、第二阵列光纤光栅2-2在软体翅膀2中的设置情况。

图5为阻挡块2-3在单个光纤光栅两端的设置情况，主要作用是使应变更好的传递到光纤光栅上，有效的防止蠕变。

图8和图9分别为第一模具和第二模具的结构示意图，第一模具和第二模具均由光敏树脂制成，在模具底部均蚀刻有所需阵列的光纤光栅蚀刻槽和阻挡块蚀刻槽。

图10为3d打印的由光敏树脂制成的第三模具，用于固定所述模型，使模型表面光滑平整。

如图11所示，本实用新型一种融入光纤光栅并实现形状测量的软体翅膀的制作方法，该制作方法包括以下步骤：

步骤一、制作用于设置横向阵列光纤光栅且具有软体翅膀外形的第一模具，具体步骤如下：

1.1通过3d打印采用光敏树脂材料制成第一模具；

1.2准备激光束为μm等级的co2激光系统；

1.3用所述激光系统在模具底部进行蚀刻，获得横向阵列光纤光栅蚀刻槽；

1.4用所述激光系统在模具底部进行蚀刻，获得阻挡块蚀刻槽。

步骤二、制作用于设置纵向阵列光纤光栅且具有软体翅膀外形的第二模具，具体步骤如下：

2.1通过3d打印采用光敏树脂材料制成第二模具；

2.2准备激光束为μm等级的co2激光系统；

2.3用所述激光系统在模具底部进行蚀刻，获得纵向阵列光纤光栅蚀刻槽；

2.4用所述激光系统在模具底部进行蚀刻，获得阻挡块蚀刻槽。

步骤三、固定阵列光纤光栅以及设置阻挡块，具体步骤如下：

3.1将准备好的光纤光栅横向阵列放入第一模具的光纤光栅蚀刻槽内，固定好；

3.2将准备好的光纤光栅纵向阵列放入第二模具的光纤光栅蚀刻槽内，固定好；

3.3将快速环氧树胶分别滴入第一模具和第二模具的阻挡块蚀刻槽内；

3.4待快速环氧树胶凝固。

步骤四、制作深度为第一模具和第二模具深度之和且具有软体翅膀外形的第三模具，具体步骤如下：

通过3d打印采用光敏树脂材料制成第三模具；

步骤五、装配后获得软体翅膀，具体步骤如下：

5.1将a、b两种液态硅胶按1：1比例均匀混合，分别倒入第一模具和第二模具，使硅胶高于模具端口；

5.2利用超声波脱气机将第一模具和第二模具混合液中的气泡除去；

5.3将第一模具和第二模具端口对端口闭合，并固定好；

5.4待硅胶凝固，取出模型，除去模型在端口出多余的固态硅胶；

5.5将模型放入第三模具中；

5.6在模型表面涂上一层薄薄的a、b硅胶1：1混合液，使模型表面光滑平整；

5.7硅胶凝固后，取出模型，将模型反面放入第三模具中；

5.8模型表面涂上一层薄薄的a、b硅胶1：1混合液，使模型表面光滑平整；

5.9待硅胶凝固，取出模型，便可实现制作软体翅膀的目的。

需要说明的是，布拉格光栅的中心波长λb、光栅周期λ以及折射率n的关系式如下：

λb＝2nλ

软体翅膀形状测量的原理如下：

为了方便说明，若第一阵列的光纤光栅个数为n，则从第1个到第n个光纤光栅可记为1，2，3，…，n。

在翅膀未变形时，解调仪所测得的第一阵列的光纤光栅的波长值为初始波长，记为λ1，λ2，λ3,…,λn。

在翅膀变形之后，解调仪所测得的第一阵列的光纤光栅的波长值为变化后的波长，记为λ11，λ22，λ33,…,λnn。

则可得到第一阵列光纤光栅波长漂移量的值，记为δλ1，δλ2，δλ3，…，δλn。计算公式如下：

δλn＝λnn-λn。

若不考虑温度的影响，可以推出曲率kn、弹光系数pε、光纤光栅波长漂移量δλn以及翅膀中性层到光纤光栅中心轴距离h的关系式如下：

重复上述步骤，用同样的方法计算出各个测量点的曲率信息。

根据测量点的曲率信息计算出测量点的坐标信息。

利用曲线拟合算法对空间离散坐标进行曲线拟合。

然后通过b样条插值算法将这些离散空间曲线重建成曲面。

软体翅膀形状即为该曲面形状，这样就实现了光纤光栅对软体翅膀的形状测量。

在本实施例中，公开了一种融入光纤光栅并实现形状测量的软体翅膀及其制作方法。其中，光纤光栅分别设置在软体翅膀的上下表面，上表面采用多个光纤光栅横向串联阵列设置，下表面采用多个光纤光栅纵向串联阵列设置，可同时测量多个方向的应变，该软体翅膀的光纤光栅位置设置合理，软体翅膀具有极高的灵敏度和测量精度。

需要说明的是，在描述本实用新型中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“横向”、“纵向”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在描述本实用新型中，术语“重合”、“平行”、“相等”等指示配合关系的词语，非绝对意义上的，允许存在误差。

所述第一阵列光纤光栅、第二阵列光纤光栅两端的尾纤均从软体翅膀与躯干配合安装的端面引出。所述第一阵列光纤光栅、第二阵列光纤光栅在设置时尽可能贴近所述软体翅膀主体的外廓缘并且不能超过外廓缘，这样设置既提高光纤光栅测量的灵敏度，也防止光纤光栅裸露在环境中。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。