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文献综述报告

作者与机构、发表时间与期刊、文章主题

本文题为“The Fiber Bragg Grating (FBG) Sensing Glove: A Review”，由Xinyao Hu, Yang Xu, Haoxi Zhang, Jianhao Xie, Dengqiang Niu, Zhong Zhao和Xingda Qu联合撰写，其中作者主要来自Shenzhen University (深圳大学)的College of Mechatronics and Control Engineering，作者Jianhao Xie来自深圳易讯科技有限公司。本文发表在IEEE Sensors Journal，2023年6月1日出版的第23卷第11期中，DOI为10.1109/JSEN.2023.3266766。研究聚焦于光纤布拉格光栅（FBG, Fiber Bragg Grating）感知手套的现状与挑战，并对其系统设计、结构设计、运动追踪算法及系统性能进行了全面综述与分析。

论文主旨与科学背景

FBG传感器由于其尺寸小、生物相容性强、以及灵敏度高等独特优势，在手部运动跟踪应用中受到广泛关注。相比传统的基于视频或惯性测量单元(IMU)的手部运动跟踪方法，FBG传感器和基于光纤的检测设备具有电磁干扰免疫、稳定性高以及耐久性好的优点。然而，尽管现有的FBG感知手套展现了较好的性能与前景，但它们在手套设计、可穿戴性、运动检测算法以及系统的准确性和可靠性方面仍然面临诸多挑战。本综述旨在总结FBG感知手套的感知特性、功能性、结构设计、系统性能与算法开发的现状，阐明其应用挑战，并提出未来可能的研究方向。

文章主要观点

1. 光纤布拉格光栅的工作原理与技术优势

FBG是一种分布式光纤布拉格反射器，它通过调节光纤的折射率反射特定波长的光线。当光纤因应变或温度变化而发生形变时，反射光的中心波长（布拉格波长，Bragg Wavelength）也随之发生变化。由于布拉格波长敏感性高，FBG可精准检测物理参数的变化（如应变、压力、角度等）。此外，聚合物FBG的开发进一步降低了成本，扩大了光谱工作范围，并提高了传感器的鲁棒性。

支持证据：文献指出，FBG的尺寸小，便于整合到手套中形成可穿戴设备；其生物相容性使其能贴近人体皮肤使用而无害；高灵敏度则使其可检测较小的运动。

2. 现有技术的系统设计与应用现状

文章通过对现有FBG感知手套的回顾，全面分析了其感知特性与系统设计。

(1) 感知特性与功能

支持数据： - 商用的FBG光纤波长范围通常为1530—1600 nm，灵敏度约为每1%伸展8 nm光谱变化。 - 大部分研究聚焦于手部运动（如指关节角度）的检测，仅少数研究扩展至触觉力的检测。

(2) 结构设计

• 管状线缆：保护光纤核心，并优化其机械属性（如柔韧性与拉伸能力）。
• 基材设计：典型基材选用低模量聚合物以适应变形，但刚性基材的使用可能影响手指自然动作。
• 绑定结构：胶粘或缝合用于固定传感器。不同方法适用于不同材料，缝合可提高灵活性，而胶粘可能影响传感组件性能。
• 光纤布拉格光栅位置：通常置于手指关节背部，以检测最大形变及相应的光谱漂移。

3. 运动追踪算法的开发与问题

FBG感知手套的核心工作原理是通过检测应变所引起的布拉格波长漂移来估算指关节角度，运动追踪算法成为关键研究点。

(1) 算法的两大开发方法

1. 生物力学模型：基于手指关节解剖学结构的简化建模，但精确性受限。
2. 实验量化模型：例如通过机械装置（如可控制关节角度的电动结构）实验得到线性模型。

(2) 其他创新算法

部分研究设计出基于多点位移追踪的面积加权算法，与传统模型相比，该算法在应对个体手型差异方面表现出潜力。

(3) 标定校准

由于个体手型差异显著，研究普遍采用基于拳握与手张开的标定程序来校准初始位置。

4. 系统性能与设计挑战

(1) 性能优劣

• FBG感知手套在关节角度检测上表现出极高的精度与可靠性（误差约在3度以内，相关系数通常高于0.99）。
• 触觉力检测仍处于起步阶段，仅有少量研究尝试相关技术开发。

(2) 设计挑战

• 手部尺寸差异：不同手部尺寸影响传感器安装，对适配性提出高要求。
• 相对运动：手套与手部间的相对运动可能导致检测误差。
• 穿戴舒适性：设备需尽量轻便、便携且不影响手部自然活动。

文章意义与价值

FBG感知手套在手部康复、假肢开发以及人机交互等领域具有巨大应用潜力。本文全面总结了现有FBG感知手套的技术现状与不足，为该领域未来研究提供了重要参考。文章指出的主要挑战包括：开发智能材料与更优结构以提升传感器集成度；改进运动追踪算法以适配个体差异；研制更便携的FBG解调设备；以及进一步探索结合运动检测与力检测的多功能手套系统。

这些挑战的解决将推动FBG感知手套朝着更成熟、更广泛应用的方向发展，为手部运动研究及其相关应用开辟新道路。