郭永興，楊躍輝，熊 麗，吳 恒，陳 敏

(1. 武漢科技大學(xué) 冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081；2. 武漢科技大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)與制造工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081)

1 引 言

近年來，軟體機(jī)器人技術(shù)成為研究熱點(diǎn)，并得到了迅速發(fā)展。與傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人相比，軟體機(jī)器人采用柔韌性材料制成，可在大范圍內(nèi)改變自身的形狀和尺寸[1-2]。其可連續(xù)變形的特性使它能夠?qū)崿F(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)[3]以及與目標(biāo)物互動(dòng)，在偵察、勘測(cè)、救援、微創(chuàng)手術(shù)等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。與此同時(shí)，軟體機(jī)器人軀體的柔性材料易受接觸物、負(fù)載以及自身重力的影響，加之柔性材料建模困難以及現(xiàn)有傳感檢測(cè)技術(shù)的局限，導(dǎo)致對(duì)柔性軀體形狀信息的準(zhǔn)確感知與檢測(cè)十分困難，是軟體機(jī)器人發(fā)展中需要解決的重要技術(shù)難題。

由于軟體機(jī)器人高度的柔韌與變形特性[4]，要求其搭載的形狀傳感器同樣柔韌而不影響驅(qū)體的性能，且對(duì)形狀傳感器的體積、穩(wěn)定性、相容性等要求極為苛刻。常規(guī)的傳感器如應(yīng)變計(jì)和電磁追蹤器等[5-6]，因存在剛度大、體積大、弱電信號(hào)易受干擾、零點(diǎn)漂移、相容性差[7-8]等問題難以滿足軟體機(jī)器人的形狀測(cè)量要求。光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating, FBG)利用光纖的光敏性在細(xì)微的纖芯上建立折射率調(diào)制，具備良好的彈性與柔韌性。此外，易于植入集成[9]、光信號(hào)穩(wěn)定、生物相容性好、單根光纖可串聯(lián)多個(gè)光柵測(cè)點(diǎn)[10-11]等優(yōu)勢(shì)使得FBG成為軟體機(jī)器人形狀測(cè)量的首選傳感元件。

基于FBG的軟體機(jī)器人形狀測(cè)量研究報(bào)道很多。Ge等人[12]將FBG采用偏心的方式嵌入到凝膠中，制作了一種基于光纖光柵的雙向曲率傳感器。XU等人[13]以硅膠為基體，提出了一種基于光纖光柵的可實(shí)現(xiàn)三維形狀測(cè)量的傳感器。Zhang等人[14]設(shè)計(jì)了一種以橡膠片與聚氯乙烯(Polyvinyl chloride，PVC)為基體的基于光纖光柵的曲率傳感器。孫廣開等人[15]提出了一種將光纖光柵植入軟體氣體驅(qū)動(dòng)器應(yīng)變限制層進(jìn)行曲率測(cè)量與形狀重構(gòu)的方法。張潤(rùn)璽等人[16]研究了一種基于多元光纖光柵陣列的柔性仿生觸角傳感方法。何彥霖等人[17]設(shè)計(jì)了一種基于復(fù)合基底的柔性光纖傳感器。He等人[18]提出了一種基于光纖光柵的可實(shí)現(xiàn)軟手術(shù)執(zhí)行器形狀感知的三維形狀傳感器，之后又研制了一種用于柔性生物醫(yī)學(xué)機(jī)器人和柔性變形機(jī)翼的FBG形狀傳感器[19]。以上這些探索工作推動(dòng)了軟體機(jī)器人的發(fā)展并為軟體機(jī)器人的形狀測(cè)量提供了參考。從軟體材料與光纖光柵融合固定的角度看，上述傳感器本質(zhì)上是低楊氏模量的柔性材料與高楊氏模量的剛性二氧化硅的結(jié)合，二者在形狀測(cè)量時(shí)是否存在剛-柔應(yīng)變耦合帶來的應(yīng)變響應(yīng)蠕變和應(yīng)變傳遞率差異等現(xiàn)象，進(jìn)而可能導(dǎo)致形狀測(cè)量中出現(xiàn)響應(yīng)滯后、靈敏度異變等問題，現(xiàn)有的工作尚未給出解釋。

本文選取軟體機(jī)器人常用的硅膠和不同配比的(Polydimethylsiloxane，PDMS)作為實(shí)驗(yàn)基體，并將光纖光柵植入其中制備了4種柔性傳感器。實(shí)驗(yàn)研究了它們?cè)谛螤罡兄^程中的應(yīng)變傳遞響應(yīng)、不同曲率的靈敏度響應(yīng)等傳感特性。

2 光纖光柵的結(jié)構(gòu)和敏感原理

圖1為FBG結(jié)構(gòu)和敏感原理示意圖，F(xiàn)BG是一種纖芯內(nèi)的周期性折射率調(diào)制器件。當(dāng)寬帶光沿纖芯傳輸時(shí)，光纖光柵反射具有特定波長(zhǎng)的窄頻部分，其余部分通過纖芯。根據(jù)光纖光柵的耦合模理論，F(xiàn)BG的光柵方程[20]為：

λB=2neffΛ，

(1)

其中：λB為中心波長(zhǎng)，neff為有效折射率，Λ為柵格周期。該方程決定了光柵的反射波與其柵格周期Λ以及反向耦合模有限折射率neff之間的關(guān)系，是光纖光柵在外界擾動(dòng)下產(chǎn)生波長(zhǎng)漂移的理論基礎(chǔ)。

圖1 光纖光柵結(jié)構(gòu)及其敏感原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure and sensing principle for FBG

在所有引起FBG波長(zhǎng)漂移的外界擾動(dòng)因素中，最直接的就是軸向應(yīng)變和溫度。波長(zhǎng)改變對(duì)于溫度和應(yīng)變的響應(yīng)關(guān)系可以表示為[21]：

(2)

式中：λB為初始波長(zhǎng)，ΔλB為波長(zhǎng)漂移量，αf為熱膨脹系數(shù)，ξ為熱光系數(shù)，Pe為彈光系數(shù)(常溫時(shí)約等于0.22)。通常，中心波長(zhǎng)為1 550 nm的光纖光柵，對(duì)應(yīng)變和溫度的靈敏度分別為1.2 pm/με和11.6 pm/℃。

圖2 傳感器中FBG的布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of FBG arrangement in sensor

當(dāng)前，基于光纖光柵的軟體機(jī)器人形狀測(cè)量，是基于軟體本體形狀有變化時(shí)產(chǎn)生彎曲變形，植入的光纖光柵感知彎曲變形應(yīng)變，引起波長(zhǎng)漂移量變化。通過對(duì)波長(zhǎng)漂移信息進(jìn)行曲率反演，融合多個(gè)光柵測(cè)點(diǎn)的曲率信息，即可推算還原出變形形狀。單個(gè)光纖光柵測(cè)點(diǎn)可視為一個(gè)獨(dú)立的柔性彎曲傳感器。傳感器的設(shè)計(jì)和分析是基于純彎曲模型，圖2所示為傳感器中FBG的布置示意圖。當(dāng)傳感器處于自然狀態(tài)時(shí)(如圖2(a))，F(xiàn)BG未受到應(yīng)變。當(dāng)傳感器處于彎曲狀態(tài)時(shí)(如圖2(b))，中性層上方部分被壓縮，中性層下方部分被拉伸，而中性層無應(yīng)變產(chǎn)生。傳感器自由狀態(tài)時(shí)光纖光柵長(zhǎng)度與中性層長(zhǎng)度相等，設(shè)傳感器中性層長(zhǎng)度AB為L(zhǎng)，傳感器彎曲狀態(tài)時(shí)傳感部位長(zhǎng)度為L(zhǎng)CD，F(xiàn)BG與中性層的距離BD為h，中性層的曲率半徑OB為ρ，傳感部位對(duì)應(yīng)的圓心角為θ，可得：

LCD-L=ΔL,

(3)

L=ρ·θ,

(4)

L+ΔL=(ρ+h)·θ,

(5)

ε=ΔL/L,

(6)

K=1/ρ,

(7)

式中：ε為傳感部位的軸向應(yīng)變，K為曲率。由式(3)～式(7)可得：

K=ε/h.

(8)

在環(huán)境溫度不變的情況下，結(jié)合式(2)和式(8)，可得曲率K與光纖光柵波長(zhǎng)漂移量ΔλB的關(guān)系式為：

(9)

由此可知，當(dāng)FBG確定的情況下，λB,Pe以及h均為常數(shù)，曲率K與光纖光柵波長(zhǎng)漂移量ΔλB呈線性關(guān)系。

3 光纖光柵柔性彎曲傳感器制備

3.1 傳感器設(shè)計(jì)

為研究植入光纖光柵的軟體材料在不同楊氏模量參數(shù)下，光纖光柵彎曲測(cè)量的響應(yīng)特性，選取常用作軟體機(jī)器人本體的硅膠和PDMS作為承載FBG的基體，并將FBG植入4個(gè)不同楊氏模量的軟體基體中。其中，采用硅膠所配置的軟體基體的楊氏模量為2.72 MPa，其余三種軟體基體均由PDMS配置。PDMS配比過高時(shí)，制備的軟體基體表面具有硬度過高、脆性過大且重復(fù)性較差等缺點(diǎn)；PDMS配比過低時(shí)，制備的軟體基體表面具有黏稠，實(shí)用性差等缺點(diǎn)。因此，根據(jù)前期配比經(jīng)驗(yàn)，選用了3種可用的配比，分別為1∶5，1∶10和1∶15，對(duì)應(yīng)軟體基體的楊氏模量[22]分別為2.66，1.78和1.26 MPa。

圖3 植入光纖光柵的柔性曲率傳感器的三維模型Fig.3 Three-dimensional model of flexible curvature sensor implanted with FBG

圖3所示為植入光纖光柵的柔性曲率傳感器的三維模型。其中，每個(gè)軟體基體內(nèi)設(shè)計(jì)有3支光纖光柵作為測(cè)試樣本，以增加實(shí)驗(yàn)研究的可信度，所選用的光纖光柵帶寬均為0.2 nm，反射率均為90%。傳感器的長(zhǎng)寬厚分別為40 mm×40 mm×3 mm，每個(gè)軟體基體中均植入3個(gè)光纖光柵構(gòu)成3個(gè)傳感測(cè)點(diǎn)。此外，3個(gè)光纖光柵采用等間距設(shè)置，相鄰兩個(gè)光纖光柵之間的距離以及軟體基體邊緣到光纖光柵的距離均為10 mm。柵區(qū)的有效長(zhǎng)度約為5 mm，纖芯距離軟體基體中性層的距離為1.125 mm。

植入式光纖光柵柔性傳感器制備過程中，采用了專門的模具，模具材料為光敏樹脂，采用高精度的3D打印技術(shù)加工而成，模具上設(shè)計(jì)有用于固定光纖光柵的微槽。光敏樹脂作為一種具備精確和耐久特性的類ABS的立體光造型樹脂，具有可加工性好、外觀華麗以及耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。因此，采用該種材料加工的模具在保證傳感器總體尺寸精度的同時(shí)，又可保證光纖光柵的位置精度。

3.2 傳感器的制作

圖4所示為傳感器制作流程。首先，將制作傳感器的模具固定于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上；然后，將3個(gè)光纖光柵依次固定在加工好的光纖光柵微槽內(nèi)，并使光纖光柵處于完全拉直的狀態(tài)；之后，用電子秤和玻璃攪拌杯稱取特定比例的混合溶液(硅膠混合溶液制備時(shí)采用A，B兩種溶液配比為1∶1；PDMS混合溶液制備時(shí)，固化劑和PDMS溶液配比分別為1∶5，1∶10和1∶15)。用攪拌棒充分?jǐn)嚢枞芤?～10 min，使溶液充分混合均勻。再將按特定比例配置好的混合溶液緩慢倒入固定好的傳感器模具中，使混合溶液充滿整個(gè)模腔；靜置，待溶液中氣泡排盡后，封模以排除多余的溶液。在常溫下靜置，當(dāng)表面沒有黏稠手感時(shí)說明溶液已經(jīng)完全固化，使用鑷子等輔助工具取出傳感器模型。

傳感器出模后，用光纖焊接機(jī)將模型的3個(gè)光纖光柵尾端依次焊接，使3個(gè)光纖光柵串聯(lián)在一起，形成植入式光纖光柵柔性彎曲傳感器。另外3個(gè)傳感器的制作方法與上述步驟類似，制作好的4個(gè)傳感器原型如圖5所示。硅膠材料制備的傳感器植入的3支光纖光柵的中心波長(zhǎng)分別為1 530.824 1，1 569.814 4和1 581.908 1 nm，配比為1∶5制備的基于PDMS的傳感器植入的光纖光柵的中心波長(zhǎng)依次為1 530.874 6，1 542.924 3和1 555.241 0 nm；配比為1∶10的PDMS柔性傳感器光纖光柵的中心波長(zhǎng)依次為1 566.726 3，1 569.780 8和1 581.956 2 nm；配比為1∶15的PDMS柔性傳感器光纖光柵的中心波長(zhǎng)依次為1 542.949 4，1 548.791 0和1 552.055 1 nm。將配比為1∶5，1∶10和1∶15制備的基于PDMS的柔性傳感器依次編號(hào)為傳感器1、傳感器2和傳感器3；采用硅膠制作的傳感器編號(hào)為傳感器4。

圖4 植入式光纖柔性彎曲傳感器的制作流程Fig.4 Preparation flow chart of fiber Bragg grating embedded flexible bending sensor

圖5 四種柔性彎曲傳感器原型照片F(xiàn)ig.5 Photo of four types of flexible bending sensor prototype

4 實(shí) 驗(yàn)

圖6所示為采用3D打印制備的不同曲率的標(biāo)定模塊以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)裝置。其中,解調(diào)器設(shè)備為基于CCD原理自主研發(fā)的4通道光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)器，波長(zhǎng)精度為3 pm，分辨率為0.1 pm，用于實(shí)驗(yàn)中實(shí)時(shí)記錄柔性傳感器光纖光柵的波長(zhǎng)變化情況。 實(shí)驗(yàn)過程中，為剔除環(huán)境溫度變化對(duì)彎曲測(cè)試中光纖光柵波長(zhǎng)漂移帶來的交叉耦合，實(shí)驗(yàn)室溫度保持在25 ℃。

圖6 不同曲率的標(biāo)定模塊以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)裝置Fig.6 Calibration module with different curvatures and experimental data device

圖7 四種傳感器內(nèi)FBG波長(zhǎng)漂移量時(shí)程Fig.7 Time responses of FBG wavelength shifts of four sensors

首先，分別對(duì)傳感器1、傳感器2、傳感器3和傳感器4進(jìn)行蠕變測(cè)試實(shí)驗(yàn)。將傳感器1平整無彎曲變形置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，并接入光纖光柵解調(diào)儀，實(shí)時(shí)保存波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，然后將傳感器完全貼合于曲率為18.18 m-1的標(biāo)準(zhǔn)彎曲標(biāo)定模塊上，實(shí)時(shí)保存、觀察波長(zhǎng)數(shù)據(jù)的變化情況，約30 min后，3支光纖光柵的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)基本保持穩(wěn)定，再保持約10 min后，將傳感器1平整還原放置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，停止保存數(shù)據(jù)。對(duì)傳感器2、傳感器3和傳感器4同樣進(jìn)行上述蠕變測(cè)試，得到4種傳感器內(nèi)3支光纖光柵波長(zhǎng)漂移量的時(shí)程圖，分別如圖7(a)～7(d)所示。首先，4種柔性傳感器在恒定彎曲狀態(tài)下，植入的總共12支FBG的波長(zhǎng)漂移量均呈現(xiàn)先快速降低、后趨于穩(wěn)定的蠕變態(tài)勢(shì)，說明軟體基體和FBG之間存在剛-柔耦合引起的蠕滑問題，并且，二者楊氏模量差異越大，蠕滑越嚴(yán)重。此外，軟體基體的形狀應(yīng)變傳遞到光纖光柵上需要約30 min，才能達(dá)到耦合穩(wěn)定。因此，若植入式光纖光柵用于軟體機(jī)器人形狀的快速動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，會(huì)出現(xiàn)形狀應(yīng)變測(cè)量的蠕變滯后問題，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確，而現(xiàn)有研究均未發(fā)現(xiàn)或忽視該問題；其次，雖然受到模具本身、粘貼FBG等誤差的影響，同一個(gè)傳感器中3個(gè)FBG波長(zhǎng)漂移量不一致，但是它們的差值在很小的范圍內(nèi)，說明4個(gè)柔性傳感器中的3支FBG耦合穩(wěn)定后的波長(zhǎng)漂移量表現(xiàn)出較好的一致性。對(duì)每個(gè)傳感器中3個(gè)FBG的波長(zhǎng)漂移量取平均值，得到傳感器1～4的波長(zhǎng)漂移量分別約為1 100，750，450和1 175 pm，分析認(rèn)為這是由于不同楊氏模量的軟體基體對(duì)光纖光柵的應(yīng)變傳遞率不同，而且楊氏模量越小，光纖與基體的剛-柔性差異越大，耦合蠕滑越嚴(yán)重，應(yīng)變傳遞率越低。而楊氏模量相近的傳感器1和傳感器4，應(yīng)變傳遞率基本相同，它們的波長(zhǎng)漂移量比較接近。將所有傳感器的波長(zhǎng)漂移量變化情況整合，結(jié)果如圖8所示。

圖8 四個(gè)傳感器內(nèi)FBG波長(zhǎng)漂移量隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.8 Relationship between FBG wavelength drift and time in four sensors

進(jìn)一步地，將傳感器1～4分別進(jìn)行了不同曲率的彎曲測(cè)試標(biāo)定，研究它們的曲率靈敏度響應(yīng)情況。采用曲率分別為14.29，15.38，16.67，18.18，20，22.22和25 m-1的7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)彎曲標(biāo)定模塊進(jìn)行正彎曲測(cè)試。測(cè)試過程中，每個(gè)曲率標(biāo)定點(diǎn)處均保持40 min以上，待光纖光柵波長(zhǎng)穩(wěn)定后讀取漂移量。4種傳感器對(duì)不同曲率的應(yīng)變響應(yīng)情況如圖9所示。可以看出，隨著曲率的增大，每種傳感器內(nèi)的3支光纖光柵的波長(zhǎng)漂移量均呈基本線性增大，同種傳感器內(nèi)的3支光纖光柵在同一彎曲測(cè)點(diǎn)處表現(xiàn)出基本的一致性，說明同一楊氏模量下應(yīng)變傳遞的穩(wěn)定性。而傳感器1和傳感器4的楊氏模量基本相同，所有光纖光柵的波長(zhǎng)漂移量也均一致，說明光纖光柵的應(yīng)變傳遞只與基體的楊氏模量有關(guān)，與基體種類無關(guān)。

對(duì)每種傳感器中3個(gè)光纖光柵的波長(zhǎng)漂移量進(jìn)行算術(shù)平均，然后進(jìn)行線性擬合，即可得到4種傳感器對(duì)彎曲曲率的靈敏度響應(yīng)，如圖10所示。由擬合函數(shù)可得，傳感器1～4的曲率靈敏度依次為49.878，56.649，35.668和56.410 pm/m-1。可以看出，每種傳感器內(nèi)的3支FBG在彎曲測(cè)試中，在滿足對(duì)彎曲狀態(tài)測(cè)量的穩(wěn)定時(shí)間要求下，耦合穩(wěn)定后的波長(zhǎng)漂移量均表現(xiàn)出較好的線性度。

圖9 四個(gè)傳感器對(duì)不同曲率的應(yīng)變響應(yīng)Fig.9 Strain response of four sensors to different curvatures

圖10 四種傳感器對(duì)彎曲曲率的靈敏度響應(yīng)Fig.10 Sensitivity response of four sensors to bending curvature

綜合圖8、圖9和圖10的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步表明軟體基體的楊氏模量越大，光纖光柵對(duì)彎曲應(yīng)變的波長(zhǎng)漂移量響應(yīng)越明顯。高楊氏模量的剛性二氧化硅光柵與低楊氏模量的軟體材料結(jié)合時(shí)，二者的楊氏模量差異越大，耦合蠕滑越嚴(yán)重，應(yīng)變傳遞率越低。

5 結(jié)果分析

實(shí)際測(cè)量過程中，基體、FBG涂覆層以及纖芯均存在不同的應(yīng)變傳遞特性，使得應(yīng)變傳遞發(fā)生變化，導(dǎo)致FBG感測(cè)的應(yīng)變與基體產(chǎn)生的實(shí)際應(yīng)變不相等，從而產(chǎn)生了上述應(yīng)變傳遞存在差異的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

為分析應(yīng)變傳遞率產(chǎn)生上述差異的原因，實(shí)驗(yàn)研究了基體、FBG涂覆層以及纖芯三者之間的應(yīng)變傳遞關(guān)系。傳感器測(cè)量簡(jiǎn)圖如圖11所示。圖12所示為應(yīng)變傳遞的分析模型。圖中所有變量定義如表1所示。

圖11 傳感器測(cè)量簡(jiǎn)圖Fig.11 Schematic diagram of sensor measurement

圖12 應(yīng)變傳遞的分析模型Fig.12 Analytical model of strain transfer

表1 圖12中所有變量定義

由圖12(b)中各層之間受力平衡可得：

(10)

(11)

(12)

其中：σ,τ和r分別表示正應(yīng)力、剪應(yīng)力和半徑，下標(biāo)g,c和a分別表示纖芯、涂覆層和基體。

由公式(11)可知，在軸對(duì)稱的涂覆層的下半部分中，徑向距離為r處的剪切應(yīng)力為：

(13)

當(dāng)各層中為線性彈性形變以及純剪切應(yīng)變傳遞時(shí)，由公式(13)可得：

uc(x)-ug(x)=

(14)

us(x)-uc(x)=(hf-rcsinθ)γa(rc,θ,x)=

(15)

其中u,γ和G分別表示界面位移、剪切應(yīng)變和剪切模量。

由式(14)和式(15)可以得到基體的剪切應(yīng)力τa，當(dāng)r=rc時(shí)，由式(13)可得該應(yīng)力與FBG涂覆層界面處的剪切應(yīng)力相等。因此，F(xiàn)BG涂覆層界面處剪切應(yīng)力τc可以表示為：

(16)

假設(shè)在一半的FBG長(zhǎng)度Lg/2上應(yīng)變均勻，則ug(x)=Lg/2·εg，uc(x)=Lg/2·εc，us(x)=Lg/2·εs。將式(16)代入式(11)，再代入式(10)可得應(yīng)變傳遞率K為：

(17)

其中α表達(dá)式為：

(18)

纖芯的楊氏模量Eg為72 GPa，半徑rg為0.062 5 mm；FBG涂覆層半徑rc為0.125 mm,纖芯距離基體下表面長(zhǎng)度hf為2.625 mm。Ga分別為2.66，1.78，1.26和2.72 MPa，分別對(duì)應(yīng)傳感器1、傳感器2、傳感器3和傳感器4。Gc為10 GPa。將相關(guān)參數(shù)代入式(17)和式(18)可得，傳感器1、傳感器2、傳感器3和傳感器4對(duì)應(yīng)的應(yīng)變傳遞率分別為0.640，0.390，0.260和0.680。應(yīng)變傳遞率排序?yàn)椋簜鞲衅?≈傳感器4>傳感器2>傳感器3，與圖9和圖10中光纖光柵的應(yīng)變漂移量是一致的。

6 結(jié) 論

本文研究了植入式光纖布拉格光柵、不同楊氏模量軟體材料在彎曲測(cè)量中的響應(yīng)特性。通過選取軟體機(jī)器人常用的硅膠和不同配比的PDMS作為實(shí)驗(yàn)基體，制備了4種植入有光纖光柵的不同楊氏模量的柔性傳感器。對(duì)4種傳感器展開彎曲測(cè)試，對(duì)FBG的測(cè)量響應(yīng)進(jìn)行了研究，結(jié)果闡明了高楊氏模量的FBG與軟體基體之間存在剛-柔耦合引起的蠕滑問題，約30 min之后趨于耦合穩(wěn)定，而且，二者的楊氏模量差異越大，耦合蠕滑越嚴(yán)重，導(dǎo)致蠕變滯后、應(yīng)變傳遞率低等問題。其中，最大應(yīng)變傳遞率為0.680，最小應(yīng)變傳遞率為0.260。然后對(duì)比了4個(gè)傳感器的靈敏度，得到最大靈敏度為56.649，最小靈敏度為35.668。最后，建立了應(yīng)變傳遞模型，從理論上推導(dǎo)了蠕變滯后以及應(yīng)變傳遞率差異性的關(guān)系，為基于植入式光纖光柵的軟體機(jī)器人形狀測(cè)量技術(shù)的研究提供科學(xué)參考。

后期工作將探索等同楊氏模量、但與光纖光柵黏合效應(yīng)更好的軟體材料，并增加軟體基體尺寸，植入更多的光纖光柵陣列，更加全面地研究光纖光柵在軟體材料中的應(yīng)變響應(yīng)問題。