一种基于多芯光纤光栅阵列传感的手部动作捕捉装置及系统的制作方法

本技术涉及光纤传感及手部动作捕捉获取领域，具体涉及一种基于多芯光纤光栅阵列传感的手部动作捕捉装置及系统。

背景技术：

1、近年来，人机交互技术不断发展，在医疗手术、工矿行业、场景模拟、电竞游戏等多个领域以其优势呈现出巨大的应用潜力。在人机交互技术的应用中，传统设备如键盘、操纵杆等，灵活性差、缺乏真实感。因此使机器人行动更鲜活、快速的获取人的行为姿态是一个重要的问题。由于人手姿态的多样性和灵活性，动态手势获取为人机交互技术的热门话题，其中关键的部分在于动态手势获取时的识别速度及效果。目前已有的动态手势获取装置包括惯性传感器、高速摄像头、数据手套、外骨骼机械手等，但惯性传感器受电磁干扰影响大，难以精确反馈手部姿态及动态手势，误差大精度低；利用高速摄像头获取手部姿态虽然精度达标但实际使用时若受到遮挡，识别精度会大幅下降；工程上使用不易携带；获取手部姿态的成本高，算法复杂，需要大量的时间训练数据以保证识别效果；数据手套受不同的传感器影响有不一样的优缺点，通常一个数据手套具有多个不同种类的传感器，布设上受多个传感器物理大小、多个传感器之间的连接方式及电磁干扰影响导致使用复杂。外骨骼机械手或其他外架构式动态手势获取装置通过精密的机械件及电位器在手部关节部位布局来实现手部关节运动的检测。这种动态手势获取装置结构复杂，成本较高，并且所需机械件多导致实体过大，难以实现精细的手部姿态获取，用户穿戴舒适感低且需要大量时间精力维护。

2、光纤形状传感技术是近年来发展起来的新兴技术，是一种利用光纤，比如光栅阵列光纤、多芯光纤等，来实现对物体形状的监测和反演的技术。光纤传感体积小、重量轻、易于封装、抗电磁干扰、灵敏度高等优势。在航空航天领域，利用光纤形状传感技术实现了对飞机机翼的变化监测，提高了飞机安全性。在医疗领域，利用光纤形状传感技术在介入式手术中精准地将仪器或药品送到需求部位。在智能机器人领域，现有技术也公开了几种利用光纤形状传感技术实现手部姿势的获取。

3、现有技术公开了一种基于光纤光栅的数据手套，采用环氧树脂将光纤光栅胶粘贴于记忆合金丝上，布设于手背部，每个光纤光栅对应手指相应的关节处，形成基于光纤光栅的弯曲传感器。然而在该方案中，将手指关节的弯曲直接作用于粘贴在记忆合金丝上的光纤光栅，在测量过程中，由于手指弯曲，产生了皮肤拉伸，手指弯曲产生的作用力直接施加于光纤光栅上，光纤光栅承受了极大的轴向应力，光纤光栅波长随着手指弯曲移动非常大。因此，该方案要求每根手指上的3个光纤光栅波长间隔比较远，用以确保在手指弯曲时，仍能保证不同光纤光栅之间具有一定的波长间隔，因此，无法再进一步增加用于温度补偿的光纤光栅，最终导致通过测量光纤光栅中心波长移动，无法对温度与应变加以区分，由此，该方案存在着极大的系统误差。此外，由于光纤的拉伸率远小于皮肤的拉伸率，上述传感方案极大限制了手指的运动，在手指大弯曲时，光纤光栅不易进一步拉伸，限制手指运动幅度，影响传感精度与线性度，造成测量误差；更进一步的，甚至导致光纤光栅被拉断。如果光纤光栅粘贴偏离手指关节位置，在手指同样的弯曲程度下，光纤光栅所受应变将大大减小，光纤光栅的波长移动量也将大大减小。在关节处与偏离关节处两种情况下，波长变化量的差异非常大，造成在偏离关节的情况下，测量灵敏度大大降低。由于手势变化的复杂性，测量过程中信噪比降低，导致极大的弯曲测量误差。因此，该方案对光纤光栅粘贴点位需要严格控制，稍微偏移就将带来极大的测量误差。

4、现有技术还公开了一种基于七芯光纤传感的手势识别穿戴装置及手势识别系统，装置采用多个七芯光纤传感单元、复用器、解复用器、多个光电探测器及信息处理模块，利用多芯光纤的模间干涉，实现对应变的传感。该方案中，对应每个手指关节的位置处均设置有一个七芯光纤传感单元，用以检测手指弯曲角度；在手部穿戴本体自掌心向手指延伸的方向上设置有七芯光纤传感单元，以检测掌心弯曲角度及弯曲方向。基于模间干涉的光纤传感器在光谱上，呈现出复杂的干涉光谱，该方案传感数据必须利用深度学习神经网络模型对特征向量进行学习，才能将特征向量与外界待识别手部手势变化匹配对应，从而进行手势识别。该方案无法对手部每个关节的角度进行精确解算，只能通过深度学习方法，将数据粗略分类到固定的手势模型中，无法满足对手部动作捕捉的精准度要求。进一步的，该方案的手势识别需要大量的学习样本，每一次布设方式的偏差都影响最终手势识别的结果，造成手势重构误差。

5、对于以上的公开技术，还存在共性问题：由于布设方法和解调原理的限制可实时获取的动态手势有限。受传感器布设方法影响，现有技术1所公开的方案仅能进行手指弯曲的感知，现有技术2所公开的方案能够实现手指弯曲和掌心弯曲的姿态检测。然而，对于更复杂的手部姿态动作捕捉，比如对手指张开度、每个手指关节的弯曲角度等高精细及复杂姿态无法实现实时准确获取。

6、为了能够更便捷、灵活、准确地实现人手姿态特征和动态手势轨迹获取及识别，也为了有效推进人机交互技术领域的发展与应用，一种易于布设的、实时的、灵敏度高、误差小、精确度高、装置简单、舒适性高、不受电磁干扰的手部动作实时的精准捕捉的装置和系统是急需的。

7、本实用新型提供了一种基于多芯光纤光栅阵列传感的手部动作捕捉装置及系统，能够依靠多芯光纤光栅阵列传感实现对手部动作的精确捕捉。所述装置采取多芯光纤光栅阵列来勾勒手指轮廓，位于手指侧面的光纤光栅组，用于感知各手指关节的弯曲角度；手指之间光纤光栅组，采用u型布设方式，用于感知手指之间的开合角度；位于手背上每根手指掌指关节处的光纤光栅组，用于感知手掌弯曲和伸展的角度。本发明的提出，克服了复杂的手部姿态动作无法捕捉、传感器布设精度要求高、光纤光栅在手部动作时易啁啾、拉断、动作幅度受限等难点，实现高精度并且全面的手部动作捕捉。

技术实现思路

1、本实用新型为解决技术问题所采取的方案是。

2、一种基于多芯光纤光栅阵列传感的手部动作捕捉装置及系统，包括多通道光纤光栅解调仪、多芯光纤光栅阵列、通信传输模块、电脑解算模块、图像绘制与显示模块和柔性手套。

3、所述的多通道光纤光栅解调仪用于实时测量多芯光纤光栅阵列中每一个光纤光栅的波长变化。

4、 所述的多芯光纤光栅阵列，由多根光纤光栅阵列纵向排列后复合绑定而成；光纤光栅阵列采用一体化在线刻写方式制备；每根光纤光栅阵列包含沿光纤轴向分布的多个光纤光栅，光纤光栅之间的间隔与各关节传感点位相对应，位置差异不超过±1 mm；多芯光纤光栅阵列中在同一位置处的不同纤芯的多个光纤光栅构成一组，每组中不同纤芯中光纤光栅的位置差异不超过±1 m。

5、所述的多芯光纤光栅阵列布设于柔性手套上。

6、所述的柔性手套，为可穿戴式柔性手套，具有弹性。

7、所述的通信传输模块用于与多通道光纤光栅解调仪进行实时通信。

8、所述的多通道光纤光栅解调仪与通信传输模块进行通信，具有实时测试及数据采集功能，用于实时得到多芯光纤光栅阵列中每个光纤光栅所受的应变。

9、所述的电脑解算模块具有数据分析及处理功能，基于所获得的布设于柔性手套上的多芯光纤光栅阵列中每个光纤光栅所受的应变，通过对多芯光纤光栅阵列曲率及弯曲方向解算，获得手部各关节处的弯曲角度及弯曲方向，实现对手部动作的捕捉。

10、所述的图像绘制与显示模块具有手部动作实时绘制及显示功能，用于展示手部形状重建结果及手部动作捕捉结果，动态展示手部动作。

11、为了实现基于多芯光纤光栅阵列传感的手部动作捕捉，所述的多芯光纤光栅阵列布设在柔性手套上。

12、优选的，所述的多芯光纤光栅阵列包含光纤光栅组数为19组。

13、 优选的，所述的多芯光纤光栅阵列的根数为3；布设方法为：第i根多芯光纤光栅阵列包含8组光纤光栅，从大拇指侧的腕部出发，沿大拇指外边缘布设，其中第1组光纤光栅纵向布设，位于大拇指腕掌关节处，继续沿大拇指外边缘布设，第2组光纤光栅纵向位于大拇指第二关节掌指关节处，第3组光纤光栅纵向位于大拇指指间关节处，多芯光纤光栅阵列继续沿大拇指外边缘布设至虎口，第4组光纤光栅横向布设，位于手背虎口位置下0.2~1.5cm处，多芯光纤光栅阵列呈u型向上，第5组光纤光栅纵向位于手背食指掌指关节处，继续沿食指左侧外边缘布设，第6组光纤光栅纵向位于食指左侧外边缘近端指间关节处，第7组光纤光栅纵向位于食指左侧外边缘远端指间关节处，多芯光纤光栅阵列绕过食指指尖，沿食指右侧外边缘继续布设至根部，在手背上继续向左呈u型布设至中指左侧根部，第8组光纤光栅横向位于食指与中指之间位置，距根部0.2~1.5 cm处；第ii根多芯光纤光栅阵列包含7组光纤光栅，从手背腕部向中指方向布设，至中指掌指关节处，第9组光纤光栅纵向布设，然后继续向上，沿中指左外侧边缘布设，第10组光纤光栅纵向布设，位于中指近端指间关节处，第11组光纤光栅纵向位于中指远端指间关节处，继续沿中指外边缘布设，过中指指尖后沿中指右外侧布设至中指根处，在手背上继续向左呈u型布设至无名指左侧根部，第12组光纤光栅横向位于中指与无名指之间位置，距根部0.2~1.5 cm处，然后多芯光纤光栅阵列继续向上，沿无名指左外侧边缘布设，第13组光纤光栅纵向布设，位于无名指近端指间关节处，第14组光纤光栅纵向布设，位于无名指远端指间关节处，继续沿无名指外边缘布设，过无名指指尖后沿无名指右外侧布设至无名指根处，在手背上继续向左呈u型布设至无名指左侧根部，第15组光纤光栅横向位于无名指与小拇指之间位置，距根部0.2~1.5 cm处；第iii根多芯光纤光栅阵列包含4组光纤光栅，从手背腕部向小拇指方向布设，至小拇指掌指关节处，第16组光纤光栅纵向布设，然后向左上方布设，逐渐过渡至小拇指左外侧，沿小拇指左外侧边缘，第17组光纤光栅纵向布设，位于小拇指近端指间关节处，第18组光纤光栅纵向位于小拇指远端指间关节处，继续沿小拇指外边缘布设，过小拇指指尖后沿小拇指右外侧布设，至小拇指与无名指间的指根处，逐渐向右侧过渡至无名指掌指关节处，光纤光栅纵向布设；光纤光栅紧密贴合手部，当手部姿态变化时，能够避免过大的拉伸导致光栅波长偏移过大或产生啁啾现象；随着手势的变化带动多芯光纤光栅阵列弯曲变化，以此来进行手部动作的捕捉。

14、优选的，所述的多芯光纤光栅阵列为单根或者多根，参考上述布设，每根多芯光纤光栅阵列中光纤光栅组的数量可以调整；用所述的多芯光纤光栅阵列在手指侧面布设，勾勒手指轮廓；位于手指侧面的光纤光栅组，用于感知各手指关节的弯曲角度；手指之间光纤光栅组，采用u型布设方式，用于感知手指之间的开合角度；位于手背上每根手指掌指关节处的光纤光栅组，用于感知手掌弯曲和伸展的角度。

15、优选的，位于手指侧面的光纤光栅组，参考上述布设，可将其布设至手指的左外侧或者右外侧的关节处，用于感知各手指关节的弯曲角度。

16、优选的，光纤光栅组数可以增加，用于实现更精细的手部动作捕捉。

17、优选的，光纤光栅组数可以减少至15组，食指、中指、无名指和小拇指的远端指间关节处的光纤光栅组可以删减，通过手指运动学模型计算补偿远端指间关节的动作，计算补偿后，可以实现对整个手部动作的捕捉。

18、优选的，所述的多芯光纤光栅阵列参考上述布设，用聚合物胶将其固定柔性手套上。

19、优选的，所述的多芯光纤光栅阵列可以用套管封装后，布设于柔性手套上。

20、优选的，所述多芯光纤光栅阵列为三芯光纤光栅阵列，三芯光纤光栅阵列的三个纤芯呈三角形排列，相互之间120°排列，纤芯编号分别为a、b、c。

21、优选的，所述多芯光纤光栅阵列由n+1根光纤光栅阵列构成，其中心为1根中心纤芯，中心纤芯四周均匀分布其余n根纤芯。

22、一种基于多芯光纤光栅阵列传感的手部动作捕捉装置及系统，所述多通道光纤光栅解调仪、多芯光纤光栅阵列、通信传输模块、电脑解算模块及图像绘制与显示模块之间的连接方式为：多通道光纤光栅解调仪的光端口分别与第i根、第ii根、第iii根多芯光纤光栅阵列的各个光纤光栅阵列的纤芯光连接；多通道光纤光栅解调仪的电端口与通信传输模块相连接；通信传输模块的输出端与电脑解算模块的输入端相连接；电脑解算模块的输出端与图像绘制与显示模块相连接。

23、本实用新型的有益效果为：

24、 1、本方案由多芯光纤光栅阵列作为传感介质，沿各手指边缘布设，勾勒手部轮廓，布设时严格限定于掌侧与背侧区域之间，不直接布设在关节上面，能够避免过大的光栅拉伸导致光栅波长偏移过大或产生啁啾现象，提高测量精度。

25、 2、本方案所提出的多芯光纤光栅阵列在柔性手套上的布设方法，可以有效避免对手指运动的限制。由于光纤的拉伸率远小于皮肤的拉伸率，直接将光纤传感器布设在关节上的方案极大限制了手指的运动，在手指大弯曲时，光纤光栅不易进一步拉伸，影响传感精度与线性度，造成测量误差。本方案有效防止在测量过程中，由于手指弯曲产生的皮肤拉伸对光纤传感器的影响，避免光纤光栅承受极大的轴向应力，使得手部动作捕捉更灵活。

26、 3、本方案所提出的多芯光纤光栅阵列在柔性手套上的布设方法，可以有效避免光纤光栅粘贴位置偏离手指关节带来的，测量灵敏度大大降低的问题。本方案对光纤光栅粘贴点位不需要严格控制，在手指关节±1 mm都能保证测量灵敏度没有大幅度变化，降低了对光纤传感器精确布设的严格要求，系统实施性大幅提高。

27、 4、本方案采用多芯光纤光栅阵列作为传感介质，其中每个光纤光栅组中的多个光纤光栅间可以相互补偿，消除温度的影响，有效解决光纤光栅所受温度与应变的交叉影响，提高系统测量精度。

28、 5、本方案提出的布设方案，位于手指侧面的光纤光栅组，用于感知各手指关节的弯曲角度；手指之间光纤光栅组，采用u型布设，用于感知手指之间的开合角度；位于手背上每根手指掌指关节处的光纤光栅组，用于感知手掌弯曲和伸展的角度。本方案能够对手部每个关节的角度进行精确解算，因此，对于复杂的手部姿态动作捕捉，比如对手指张开度、每个手指关节的弯曲角度等高精细及复杂姿态，能够实现手部动作实时准确的获取。

29、 6、本方案提出的多芯光纤光栅阵列体积纤细、不受电磁干扰，响应速度快、误差小、精准度高。在选择光纤光栅传感器时可以按需选择不同的纤芯个数、光栅波长和光栅间距，应用灵活，适用性强。

30、 7、本方案根据光纤光栅阵列曲率与弯曲方向到关节弯曲角度的关系模型，将光纤光栅阵列实时采集的曲率与弯曲方向数据输入至该模型中，实时解算出各手部关节的弯曲角度，方法简洁，算法选择性多、计算简单，无需大量的时间训练数据，在实现手势识别的基础上，更能实现对动态手势的精准捕捉。