Modélisation de la déformation des ailettes molles à l’aide de l’imagerie par fluorescence induite par laser planaire

La capacité de mesurer les déformations des ailettes robotiques souples de manière non intrusive est importante car nous pouvons mieux éclairer la conception et le contrôle des ailettes pour les véhicules sous-marins et valider les modèles informatiques. Nous pouvons réutiliser un outil existant dans la dynamique des fluides, appelé fluorescence induite par laser raboteur et l’étendre pour les solides, qui pourrait ensuite être utilisé pour des mesures simultanées de solides et de fluides. Cette méthode est généralisable aux systèmes et matériaux robotiques mous.

Nous pouvons utiliser cette technique, non seulement pour valider les interactions de la structure des fluides, mais aussi pour étudier les matériaux flexibles pour les capteurs et les applications médicales. Commencez par concevoir et construire un moule fini brillant imprimé en 3D personnalisé en forme d’aileron. Préparez une installation expérimentale en montant un système laser pulsé sur un réservoir d’eau rectangulaire en verre pour générer une feuille de lumière de raboteuse croisant le réservoir à son plan médian à 30 Hertz.

Installez un dispositif couplé à charge de quatre mégapixels, ou caméra CCD, avec un objectif de 35 millimètres et un filtre de fluorescence passe-long de 516 nanomètres. Après l’installation, effectuez un étalonnage de la conversion micromètre en pixel en prenant une seule image de la caméra CCD avec une règle placée dans le plan de la feuille laser. Sélectionnez ensuite deux positions sur l’appareil photo et divisez la distance en micromètres en séparant les pixels.

Assurez-vous que le rapport micromètre/pixel est suffisamment petit ou dans la plage submillimétrique pour l’application. Synchronisez les impulsions laser et les images de la caméra avec l’ailette battante à l’aide des sorties de déclenchement du logiciel d’ailette et des signaux d’un générateur de retard et du logiciel associé. Assurez-vous que toute la sécurité laser est conforme aux directives de l’établissement.

Pour régler le système laser, allumez le système laser avec la touche d’alimentation qui fait fonctionner le refroidisseur pour refroidir les têtes laser. Les voyants de défaut clignotent jusqu’à ce que le système soit prêt à alimenter les lasers. Réglez la source de déclenchement sur lampe externe, commutateur Q externe.

Pour les deux têtes laser, réglez l’énergie laser sur 60 à 80% de la pleine puissance et appuyez sur chaque bouton de commutation Q. Allumez ensuite les lasers en appuyant sur le bouton d’alimentation. Ensuite, branchez les câbles d’alimentation à l’appareil photo et assurez-vous que les connexions à l’ordinateur sont correctes avant d’ouvrir le logiciel de réglage de l’appareil photo et de sélectionner le port approprié.

Après avoir allumé le générateur de retard, connectez le canal de porte externe au déclencheur de l’aileron, le canal E à la caméra et les canaux A à D au laser. Ensuite, ouvrez le logiciel générateur de retard pour sélectionner le mode d’impulsion à éclater et la résolution du système à quatre nanosecondes. Définissez la période en secondes.

Ajustez le mode de déclenchement / porte externe à déclenché, seuil à 0,20 volts et bord de déclenchement en montant. Définissez également les canaux comme décrit dans le script. Alignez l’ailette de sorte que la feuille laser passe à travers une section de l’aileron à une position de portée, puis fixez la plate-forme d’ailette avec le matériel de montage.

Connectez l’alimentation au matériel de commande des ailettes et aux moteurs d’ailettes pour commencer à battre les ailettes avec la cinématique sélectionnée et éteignez toutes les lumières ambiantes. Dans le logiciel générateur de retard, appuyez sur run pour commencer les expériences synchronisées et acquérir des images de l’intersection de la feuille laser avec l’ailette tout au long du cycle de course. Observez l’aileron battre dans le réservoir avec la feuille laser allumée et les lumières ambiantes éteintes.

Lorsque vous avez terminé, appuyez sur Stop avant de déconnecter l’ailette de la source d’alimentation. Déplacez la plate-forme de l’aileron, de sorte que la feuille laser se croise à une nouvelle position de portée. Remplacez l’aileron par d’autres membranes d’ailettes souhaitées et effectuez les expériences comme démontré précédemment pour acquérir les images pour le nombre de mesures souhaité.

Analysez l’image en extrayant tous les objets blancs représentant les coupes transversales des ailettes de la zone BW, de l’image binaire filt dot M et en affichant l’image avec le M show dot M.Créez ensuite une trace de la limite de l’image binaire pour chaque image afin d’obtenir une forme 2D, en sélectionnant tous les pixels fin qui touchent les pixels d’arrière-plan noir. Comparez les formes d’ailettes résultantes avec l’interaction de structure fluide 3D, ou modèles FSI, générés à partir des lignes centrales, pour montrer comment le processus peut être utilisé comme validation haute fidélité. La cinématique programmée des nageoires a donné une amplitude de course de 43 degrés et une amplitude de pas de 17 degrés.

L’image illustre les comparaisons à deux positions du trait. Un au milieu du coup ascendant et un au milieu du coup bas. En outre, les comparaisons ont été faites entre les déformations de forme du PDMS 10 à un et du PDMS 20 à un aileron.

Les formes d’ailettes 3D ont été reconstruites à partir de la fluorescence induite par le laser raboteur, du FSI et des boîtiers rigides au milieu de la course ascendante, démontrant la capacité de la technique actuelle à fournir une validation haute fidélité pour les simulations FSI. Dans l’expérience, la section transversale de l’aileron n’était pas visible à chaque étape en raison du longeron rigide opaque. L’image montre le résultat où l’aileron n’était pas visible.

La chose la plus importante à retenir est de tester la synchronisation des composants avant d’exécuter des expériences complètes. Une fois le timing défini, effectuez d’abord un test.