1.引言
在过去几十年中，形状传感技术一直是众多研究人员和行业感兴趣的领域。这里，我们分为两大类：传统形状传感器（CSSs）和光纤形状传感器（FOSSs）。CSSs包括非接触式传感器和接触式传感器，也称为自感应表面。非接触式CSS包括摄像头、微波探测和测距（雷达）等视觉系统，以及光探测和测距（LiDAR）传感器。通常，环境温度或污染可能会干扰这些形状传感器的性能和完整性。在无法使用非接触-视觉类传感系统且需要获取动态对象的实时数据的应用中，形状传感变得更加重要。在这类应用中，需要将小尺寸、灵活的接触式的形状传感器直接粘贴在物体表面并随物体一起运动，将位置信息转换为光/电信号，以感知形状、曲率、弯曲和扭曲。本文首先简单介绍接触式CSSs，然后对FOSSs的发展进行综合全面的回顾，以及对FOSSs在医疗机器人，工业机器人，航空航天以及能源开采等领域应用遇到的机遇和挑战进行讨论。

2. 接触式CSSs
近年来，针对广泛的工业和医疗应用领域，开发合适的接触式形状传感技术一直是许多研究和开发项目的主题。本节回顾了常见的接触式CSS及其应用示例，以及它们的优缺点。根据所使用的传感技术，接触式传感器可分为：（1）电阻率和应变传感器，（2）光电传感器，（3）微机电系统（MEMS）传感器。

2.1. 电阻率和应变传感器
电阻率和应变传感器已用于大型结构以及手套等小型设备，以测量二维（2D）或三维（3D）方向的变化。图1显示了一种接触式的电阻率手套形状传感器，称为GloveMAP。该系统是一种使用电阻率和应变传感器的低成本指尖弯曲跟踪系统。它使用标准的Arduino微控制器来接收电信号、计算并与计算机进行交互。这项技术在游戏和可穿戴设备方面很有前景，但复杂性和不精确性是这项技术在更广泛应用中的主要限制因素。电阻率传感器在布线的复杂性和重量方面存在局限性，例如在大规模应用中需要用到大量电缆，会变得非常繁重。在小规模应用中，如外科工具，由于尺寸、复杂性以及对电磁噪声和温度的敏感性，传统的电气传感器都不适用。此外，电气传感器在危险和易爆区也有局限性。

图1 电阻率形状传感手套GloveMAP

2.2. 光电传感器
用于形状传感的光电传感器结合了光传感器、一系列常规微电子陀螺仪和三轴加速度计的组合来实时估计物体的形状。图2显示了一种基于光电子技术的形状传感带，该带配备了一系列传感器，称为SensorTape。该技术是一种可打印的电子设备，包含一系列LED和探测器，用于测量物体上不同点之间的飞行时间（ToF）。传感器开发成本低，因为它使用大量生产的现成传感器，并且可以使用现有的可打印电子技术制造。可生产的较大长度为2.3m，并与低成本Arduino微处理器兼容，以连接计算机。SensorTape是作为一种用于姿势测量的低成本解决方案开发的，不适用于工业应用，例如外科和钻井工具的等密闭空间。

图2 带状光电形状传感器SensorTape

2.3. 微机电系统传感器
MEMS传感器是高度集成的微型设备，能够测量移动设备中的各种参数，例如连接接头中相互之间的方向倾斜测量。图3显示了基于MEMS传感器的用于岩土工程应用的商业产品，称为ShapeacelArray或SAA。ShapeAccelArray由一系列通过柔性接头连接的防水管组成。每个管段/管长约0.3m，并配有基于MEMS的三轴加速度计和陀螺仪。使用数据融合和校正技术，软件可计算出ShapeAccelArray的拟合二维/三维形状。ShapeAccelArray通常用于钻孔、钻孔定位、管道、墙壁移动或嵌入结构中进行变形监测。选择合适的形状传感技术取决于多个因素，如成本、安装限制、应用和环境因素。表1总结了传统的接触式形状传感器（非光纤技术），并对其性能进行了比较。

图3 MEMS形状传感器ShapeAccelArray

表1 传统形状传感技术对比