一种融入光纤光栅并实现形状测量的软体翅膀及制作方法技术

本发明专利技术公开了一种融入光纤光栅并实现形状测量的软体翅膀及制作方法，该软体翅膀采用多个光纤光栅串联阵列设置，光纤光栅分别设置在软体翅膀的上下面内，上表面内采用多个光纤光栅横向串联阵列设置，下表面内采用多个光纤光栅纵向串联阵列设置。当飞行器产生复杂的飞行状态时，横向阵列光纤光栅和纵向阵列光纤光栅分别把测得的横向和纵向应变信息反馈给系统，系统对数据进行相关处理，将光纤光栅的应变信息转换成变形信息，再结合坐标信息得到软体翅膀的形状。本发明专利技术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。

A Soft Wing and Its Fabrication Method for Shape Measurement Based on Fiber Bragg Grating

【技术实现步骤摘要】
一种融入光纤光栅并实现形状测量的软体翅膀及制作方法
本专利技术属于光纤光栅传感和软体机器人
，具体涉及一种融入光纤光栅并实现形状测量的软体翅膀及制作方法。
技术介绍
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”的中国专利技术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”的中国专利技术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”的中国专利技术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。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术公开了一种融入光纤光栅并实现形状测量的软体翅膀及制作方法，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，本专利技术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。一种上述融入光纤光栅并实现形状测量的软体翅膀的制作方法，包括如下步骤：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、第二阵列光纤光栅以及设置阻挡块；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。优选地，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。优选地，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；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；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。优选地，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。优选地，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。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术软体翅膀质量轻、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)本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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专利技术，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本专利技术，但并不作为对本专利技术的限定。如图1和图2所示，本专利技术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为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种融入光纤光栅并实现形状测量的软体翅膀，其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一种融入光纤光栅并实现形状测量的软体翅膀，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的一种融入光纤光栅并实现形状测量的软体翅膀，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的一种融入光纤光栅并实现形状测量的软体翅膀，其特征在于：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。4.根据权利要求1所述的一种融入光纤光栅并实现形状测量的软体翅膀，其特征在于：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。5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种融入光纤光栅并实现形状测量的软体翅膀，其特征在于：所述软体翅膀(2)的主体采用硅胶材料制成，所述阻挡块(2-3)采用快速环氧树胶。6.一种如权利要求1至5中任一项所述的融入光纤光栅并实现形状测量的软体翅膀的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭永兴，杨跃辉，熊丽，李聪，陈敏，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42