利用少模光纤辅助和支持向量机检测手指关节的弯曲情况

《Optical Materials: X》：Detection of finger joint bending using few-mode fiber assisted by support vector Machine

基于少模光纤的迈克尔逊干涉仪结合支持向量机模型，提出了一种宽范围、高灵敏度的手指关节弯曲检测方法，实验显示其灵敏度达-0.423 dB/m?1，温度交叉灵敏度低至0.049 m?1/℃，可稳定识别0°至90°的弯曲角度，并成功应用于手势识别。

　　

Xijiang Zhang|Min Shao|Longlong Miao|Yang Song|Xueguang Qiao

西安石油大学理学院，中国西安710065

摘要

在机器人中准确检测手指关节的弯曲程度对于机器人控制以及人机交互的安全性至关重要。尽管光纤干涉式弯曲传感器具有高灵敏度和结构灵活性等优点，但其检测范围仍然相对有限，且在大曲率下的光谱失真给传统的相位解调方法带来了挑战。为了解决这些问题，本研究提出了一种基于少模光纤的紧凑型迈克尔逊干涉仪，并结合支持向量机（SVM）分类模型，以实现在大曲率范围内稳定可靠的弯曲测量。实验结果表明，该传感器在7.41–24.69 m?1的曲率范围内可实现最大灵敏度为?0.423 dB/m?1，在30-60℃的温度范围内温度交叉灵敏度为0.049 m?1/℃，证明了其抗干扰能力和在大曲率测量中的潜力。为了进一步提高解调的鲁棒性，开发了一种多特征协同的二次SVM分类模型，能够准确分类和预测手指关节的弯曲角度。该系统能够稳定识别高达90°的弯曲角度，并已成功应用于手势识别任务。这项研究不仅提出了一种新型的全光纤传感解决方案，还为机器人手指关节弯曲检测提供了一种多特征集成的光谱信号解调策略。

引言

随着机器人技术的快速发展，灵巧的机器人手是环境交互的关键执行器，其性能直接决定了机器人执行复杂任务的能力。其中，精确可靠地测量手指关节的弯曲程度是实现精细抓取、力控制和安全人机交互的关键[1]，[2]。

目前，用于检测手指关节的传感器主要包括电位计、编码器、惯性测量单元（IMUs）和摄像头[3]，[4]，[5]，[6]，[7]等。然而，这些传感器存在体积庞大、易受电磁干扰（EMI）影响以及灵活性有限等缺点。光纤弯曲传感器由于其体积小、重量轻、抗EMI能力强以及具有分布式传感潜力而最近在机器人技术中受到了广泛关注。光纤弯曲传感器可以通过检测由手势变形引起的光纤输出强度、相位或波长的变化来实现手指识别。本质上，它避免了图像采集等隐私问题，并且适用于黑暗和封闭环境，使其应用场景更加广泛。

其中，光纤迈克尔逊干涉仪（MI）由于其反射结构和高灵敏度而被广泛用于应变和弯曲测量。例如，Qi等人[8]提出了一种基于光纤微球阵列的MI，在5.1–6.15 m?1的曲率范围内实现了高达?25.455 nm/m?1的灵敏度。Zhang等人[9]使用两根平行光纤创建了类似光栅的效果，在0–1.24 m?1的曲率范围内获得了38.53 nm/m?1的灵敏度。虽然这些和其他大多数报道的MI都表现出高灵敏度，但它们的有效测量范围较窄。鉴于手指弯曲的运动范围相当大，显然需要扩展基于MI的传感器的弯曲检测范围[10]，[11]，[12]。更重要的是，当光纤干涉仪用于测量机器人手指关节时，其高灵敏度和狭窄的测量范围在大角度弯曲时容易导致光谱信号失真，给传统的相位解调方法带来了挑战[13]，[14]，[15]，[16]。因此，开发一种在大角度弯曲时能够保持稳定光谱信号的光纤干涉仪，并建立相应的干涉光谱解调方法，对于实现精确的机器人手指关节测量具有重要意义。

为了解决大角度手指弯曲时由于高灵敏度和狭窄测量范围导致的光谱信号失真和解调困难问题，本文提出了一种基于少模光纤（FMF）的迈克尔逊干涉仪的新型光纤弯曲传感器，并通过多特征量协同和实验分析表明，该传感器在大角度弯曲下可以提供稳定且可测量的光谱信号。通过引入基于支持向量机（SVM）算法的解调方案对光谱信号的多特征量进行分类，实现了手指弯曲角度的准确和连续感知。这项工作展示了该传感器在机器人手指弯曲检测和手势识别中的应用潜力和信号处理方法。

原理与制备

原理与制备

所使用的单模光纤（SMF，YOFC）和少模光纤（FMF，YOFC，FM2011-B）的核心/包层直径分别为9/125 μm和18.5/125 μm，折射率分别为1.4682/1.4628和1.4503/1.4446。如图1(a)所示，来自SMF的光线入射到弧形界面上。弧形区域的轻微半径起到了光束扩展器的作用，将部分光线耦合到FMF的核心中，从而激发高阶模式。

结果与讨论

在完成曲率和温度实验后，传感器被放入一个空心塑料套管中，并固定在机器人手指上，如图3(a)所示。然后评估了手指在0°到90°范围内的弯曲光谱响应。如图3(b)所示，波长和强度在不同手指弯曲角度下都会发生变化。值得注意的是，这种变化并不是完全线性的。此外，在90°以下的光谱是连续的

结论

本文提出了一种基于SMF-FMF光纤结构的手指弯曲传感器，具有宽广的检测范围。该传感器在7.41–24.69 m?1的曲率范围内可实现最大灵敏度为?0.423 dB/m?1，在30–60℃的温度范围内温度灵敏度为?0.021 dB/℃，为手指弯曲检测提供了一种有前景的解决方案。结合二次SVM分类模型，该传感器可以在0°到90°的范围内准确检测弯曲角度，具有

作者贡献声明

Xijiang Zhang：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法论。Min Shao：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念化。Longlong Miao：研究，数据管理。Yang Song：方法论，形式分析。Xueguang Qiao：形式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。