基于SSA-ELM的双层十字梁结构光纤布拉格光栅传感器三维力解耦

孙世政; 于竞童; 韩宇; 廖超; 党晓圆

doi:10.37188/OPE.2021.0549

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基于SSA-ELM的双层十字梁结构光纤布拉格光栅传感器三维力解耦

现代应用光学 | 更新时间：2026-09-12

- 基于SSA-ELM的双层十字梁结构光纤布拉格光栅传感器三维力解耦
- FBG sensor of double-layer cross beam structure based on SSA-ELM three-dimensional force decoupling
- 光学精密工程 2022年30卷第3期页码：274-285
- 作者机构：
  
  1.重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆 400074
  2.重庆移通学院智能工程学院，重庆 401520
- 作者简介：
  
  孙世政（1986-），男，山东烟台人，副教授，硕士生导师，2012年于重庆理工大学获得硕士学位，2015年于合肥工业大学获得博士学位，主要从事精密仪器与机械、智能传感技术的研究。 E-mail：ssz091011@163.com
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(52105542);“成渝地区双城经济圈建设”科技创新项目(KJCX2020032);上海市轨道交通结构耐久与系统安全重点实验室开放基金资助(202004);重庆市教委科学技术研究计划重点项目(KJZD-K202002401)
- DOI：10.37188/OPE.2021.0549
  中图分类号： TP212.9;TH823
- 收稿：2021-08-25，
  
  修回：2021-09-22，
  
  纸质出版：2022-02-15
- 稿件说明：
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孙世政,于竞童,韩宇等.基于SSA-ELM的双层十字梁结构光纤布拉格光栅传感器三维力解耦[J].光学精密工程,2022,30(03):274-285.

SUN Shizheng,YU Jingtong,HAN Yu,et al.FBG sensor of double-layer cross beam structure based on SSA-ELM three-dimensional force decoupling[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(03):274-285.
孙世政,于竞童,韩宇等.基于SSA-ELM的双层十字梁结构光纤布拉格光栅传感器三维力解耦[J].光学精密工程,2022,30(03):274-285. DOI： 10.37188/OPE.2021.0549.

SUN Shizheng,YU Jingtong,HAN Yu,et al.FBG sensor of double-layer cross beam structure based on SSA-ELM three-dimensional force decoupling[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(03):274-285. DOI： 10.37188/OPE.2021.0549.

摘要

针对三维力传感器维间耦合干扰严重的问题，以双层十字梁结构光纤布拉格光栅三维力传感器为研究对象，提出了基于麻雀搜索算法优化极限学习机（Sparrow Search Algorithm–Extreme Learning Machine，SSA-ELM）的解耦算法。首先，研究了光纤布拉格光栅的传感及测力原理，揭示该三维力传感器波长漂移量和力的映射关系，分析其结构耦合特性；然后，构建标定实验系统进行标定实验；最后，建立了极限学习机非线性解耦模型，利用麻雀搜索算法优化模型，获得网络最佳初始权值和阈值，兼顾解耦精度和效率，寻找极限学习机隐含层节点与SSA迭代次数的最优参数组合，解耦后Ⅰ类误差最大为1.18%，Ⅱ类误差最大为1.14%，解耦训练时间为1.778 6 s。为验证解耦效果，将SSA-ELM算法与最小二乘法、极限学习机算法解耦结果对比。实验结果表明：SSA-ELM算法解耦训练速度较快，能更有效地构建三维力的维间耦合关系，降低传感器Ⅰ，Ⅱ类误差，具有较好的非线性解耦能力。

Abstract

Aiming to address the problem of severe inter-dimensional coupling interference of three-dimensional force sensors， a decoupling algorithm based on the sparrow search algorithm–extreme learning machine （SSA–ELM） is proposed considering a fiber Bragg grating （FBG） three-dimensional force sensor with a double-layer cross beam structure as the research object. First， the sensing and force measurement principle of FBGs is studied， the mapping relationship between wavelength drift and the force of the three-dimensional force sensor is revealed， and its structural coupling characteristics are analyzed. Then， a calibration experiment system is constructed to perform calibration experiments. Finally， a nonlinear decoupling model of extreme learning machine （ELM） is established， and the sparrow search algorithm （SSA） is used to optimize the model to obtain the optimal initial weight and threshold of the network. Considering the decoupling accuracy and efficiency， the optimal number of ELM hidden layer nodes and optimal number of SSA iterations are determined. After decoupling， the maximum type I error is 1.18%， the maximum type II error is 1.14%， and the decoupling training time is 1.778 6 s. At the same time， in order to verify the decoupling effect， the decoupling results of the SSA–ELM algorithm are compared with least squares and ELM algorithm. The experimental results show that the SSA–ELM algorithm has a short decoupling training time， can more effectively construct the dimensional coupling relationship of the three-dimensional force， reduce the type I and II errors of the sensors， and has a good nonlinear decoupling ability.

关键词

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蒲明辉，冯向楠，罗国树，等 . 基于结构解耦的新型电容式力矩传感器设计［J］. 仪器仪表学报， 2020 ， 41 （ 2 ）： 10 - 17 . doi: 10.19650/j.cnki.cjsi.J1905837 http://dx.doi.org/10.19650/j.cnki.cjsi.J1905837

PU M H ， FENG X N ， LUO G SH ， et al . Design of novel capacitive type torque sensor based on structural decoupling ［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument ， 2020 ， 41 （ 2 ）： 10 - 17 . （in Chinese） . doi: 10.19650/j.cnki.cjsi.J1905837 http://dx.doi.org/10.19650/j.cnki.cjsi.J1905837

徐兴盛，李映君，王桂从，等 . 轮辐结构压电式六维力传感器设计［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 12 ）： 2655 - 2664 . doi: 10.37188/OPE.20202812.2655 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202812.2655

XU X SH ， LI Y J ， WANG G C ， et al . Design of six-axis force piezoelectric sensor with spoke structure ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 12 ）： 2655 - 2664 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20202812.2655 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202812.2655

刘俊，徐军领，李敏，等 . 垫圈式压电六维力传感器静态灵敏度解析［J］. 光学精密工程， 2019 ， 27 （ 4 ）： 901 - 910 . doi: 10.3788/ope.20192704.0901 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192704.0901

LIU J ， XU J L ， LI M ， et al . Static sensitivity analysis of washer-type piezoelectric six-axis force sensor ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2019 ， 27 （ 4 ）： 901 - 910 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20192704.0901 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192704.0901

HU S S ， WANG H Y ， WANG Y ， et al . Design of a novel six-axis wrist force sensor ［J］. Sensors ， 2018 ， 18 （ 9 ）： 3120 . doi: 10.3390/s18093120 http://dx.doi.org/10.3390/s18093120

邬如靖，韩少峰，广晨汉，等 . 具有微力感知的眼科手术器械的设计与实现［J］. 机械工程学报， 2020 ， 56 （ 17 ）： 12 - 19 . doi: 10.3901/jme.2020.17.012 http://dx.doi.org/10.3901/jme.2020.17.012

WU R J ， HAN SH F ， GUANG CH H ， et al . Design and implementation of A micro-force sensing instrument for ophthalmic surgery ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2020 ， 56 （ 17 ）： 12 - 19 . （in Chinese） . doi: 10.3901/jme.2020.17.012 http://dx.doi.org/10.3901/jme.2020.17.012

韩康，陈立恒，李行，等 . 高灵敏度大量程六维力传感器设计［J］. 仪器仪表学报， 2019 ， 40 （ 9 ）： 61 - 69 .

HAN K ， CHEN L H ， LI H ， et al . Design of a six-axis force sensor with large range and high sensitivity ［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument ， 2019 ， 40 （ 9 ）： 61 - 69 . （in Chinese）

高波，王晨，屈文轩，等 . 基于局部去耦的重载Stewart 6维力传感器精度与刚度的综合优化设计［J］. 机器人， 2017 ， 39 （ 6 ）： 838 - 843 . doi: 10.13973/j.cnki.robot.2017.0838 http://dx.doi.org/10.13973/j.cnki.robot.2017.0838

GAO B ， WANG CH ， QU W X ， et al . The accuracy and stiffness comprehensive optimal design of the heavy load Stewart six-axis force sensor based on partial decoupling method ［J］. Robot ， 2017 ， 39 （ 6 ）： 838 - 843 . （in Chinese） . doi: 10.13973/j.cnki.robot.2017.0838 http://dx.doi.org/10.13973/j.cnki.robot.2017.0838

冯李航，王东，徐扬，等 . 运动-力解耦的多维轮力传感器研究［J］. 仪器仪表学报， 2017 ， 38 （ 5 ）： 1240 - 1248 . doi: 10.3969/j.issn.0254-3087.2017.05.024 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.0254-3087.2017.05.024

FENG L H ， WANG D ， XU Y ， et al . Motion-force decoupling wheel force transducer ［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument ， 2017 ， 38 （ 5 ）： 1240 - 1248 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.0254-3087.2017.05.024 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.0254-3087.2017.05.024

仲志成，赵斌，林君，等 . 基于光纤传感技术的三维地应力传感器［J］. 光学精密工程， 2018 ， 26 （ 2 ）： 325 - 335 . doi: 10.3788/ope.20182602.0325 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20182602.0325

ZHONG ZH CH ， ZHAO B ， LIN J ， et al . Three dimensional in situ stress sensor based on optical fiber sensing technology ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2018 ， 26 （ 2 ）： 325 - 335 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20182602.0325 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20182602.0325

XIONG L ， JIANG G Z ， GUO Y X ， et al . A three-dimensional fiber Bragg grating force sensor for robot ［J］. IEEE Sensors Journal ， 2018 ， 18 （ 9 ）： 3632 - 3639 . doi: 10.1109/jsen.2018.2812820 http://dx.doi.org/10.1109/jsen.2018.2812820

XIONG L ， GUO Y X ， JIANG G Z ， et al . Six-dimensional force/torque sensor based on fiber Bragg gratings with low coupling ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2021 ， 68 （ 5 ）： 4079 - 4089 . doi: 10.1109/tie.2020.2982107 http://dx.doi.org/10.1109/tie.2020.2982107

周山，刘利平，高建宇，等 . 三维力传感器静态解耦方法的研究［J］. 电子测量与仪器学报， 2020 ， 34 （ 8 ）： 181 - 187 .

ZHOU SH ， LIU L P ， GAO J Y ， et al . Research on static decoupling algorithm for 3-axis wrist force sensor ［J］. Journal of Electronic Measurement and Instrumentation ， 2020 ， 34 （ 8 ）： 181 - 187 . （in Chinese）

WANG J C ， ZOU B ， LIU M F ， et al . Milling force prediction model based on transfer learning and neural network ［J］. Journal of Intelligent Manufacturing ， 2021 ， 32 （ 4 ）： 947 - 956 . doi: 10.1007/s10845-020-01595-w http://dx.doi.org/10.1007/s10845-020-01595-w

LIU Q ， LI D Y ， GE S S ， et al . Adaptive bias RBF neural network control for a robotic manipulator ［J］. Neurocomputing ， 2021 ， 447 ： 213 - 223 . doi: 10.1016/j.neucom.2021.03.033 http://dx.doi.org/10.1016/j.neucom.2021.03.033

姚斌，张建勋，代煜，等 . 用于微创外科手术机器人的多维力传感器解耦方法研究［J］. 仪器仪表学报， 2020 ， 41 （ 1 ）： 147 - 153 . doi: 10.1109/cac51589.2020.9327656 http://dx.doi.org/10.1109/cac51589.2020.9327656

YAO B ， ZHANG J X ， DAI Y ， et al . Research on decoupling method of multi-dimensional force sensor for minimally invasive surgical robot ［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument ， 2020 ， 41 （ 1 ）： 147 - 153 . （in Chinese） . doi: 10.1109/cac51589.2020.9327656 http://dx.doi.org/10.1109/cac51589.2020.9327656

陈望隆，杨述焱，胡权，等 . 面向运动力学测量的无线六维力传感器［J］. 仪器仪表学报， 2019 ， 40 （ 4 ）： 129 - 136 .

CHEN W L ， YANG SH Y ， HU Q ， et al . Wireless six-dimensional force sensor for motion mechanics measurement ［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument ， 2019 ， 40 （ 4 ）： 129 - 136 . （in Chinese）

李映君，韩彬彬，王桂从，等 . 基于径向基函数神经网络的压电式六维力传感器解耦算法［J］. 光学精密工程， 2017 ， 25 （ 5 ）： 1266 - 1271 . doi: 10.3788/ope.20172505.1266 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20172505.1266

LI Y J ， HAN B B ， WANG G C ， et al . Decoupling algorithms for piezoelectric six-dimensional force sensor based on RBF neural network ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2017 ， 25 （ 5 ）： 1266 - 1271 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20172505.1266 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20172505.1266

LIANG Q K ， WU W N ， COPPOLA G ， et al . Calibration and decoupling of multi-axis robotic Force/Moment sensors ［J］. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing ， 2018 ， 49 ： 301 - 308 . doi: 10.1016/j.rcim.2017.08.008 http://dx.doi.org/10.1016/j.rcim.2017.08.008

LIANG Q K ， LONG J Y ， COPPOLA G ， et al . Novel decoupling algorithm based on parallel voltage extreme learning machine （PV-ELM） for six-axis F/M sensors ［J］. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing ， 2019 ， 57 ： 303 - 314 . doi: 10.1016/j.rcim.2018.12.014 http://dx.doi.org/10.1016/j.rcim.2018.12.014

孙世政，廖超，李洁，等 . 基于光纤布拉格光栅的二维力传感器设计及实验研究［J］. 仪器仪表学报， 2020 ， 41 （ 2 ）： 1 - 9 .

SUN SH ZH ， LIAO CH ， LI J ， et al . Design and experiment study of two-dimensional force sensor based on fiber Bragg grating ［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument ， 2020 ， 41 （ 2 ）： 1 - 9 . （in Chinese）

XUE J K ， SHEN B . A novel swarm intelligence optimization approach： sparrow search algorithm ［J］. Systems Science & Control Engineering ， 2020 ， 8 （ 1 ）： 22 - 34 . doi: 10.1080/21642583.2019.1708830 http://dx.doi.org/10.1080/21642583.2019.1708830

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