基于CPLD数据采集的多模态柔性电子皮肤设计与表征，用于触觉强度与手势识别

摘要

本方案描述了一种柔性多模态电子皮肤系统的制备与操作方法。该系统采用基于CPLD的后端，实现对36个传感器通道的同步混合频率数据采集，从而对复杂触觉手势进行定量分析，以用于先进的机器人感知与人机交互。

摘要

本研究展示了一种支持高分辨率触觉感知与手势识别的柔性多模态电子皮肤（e-skin）平台的设计与表征，其数据采集系统基于CPLD实现。该系统集成了一个36通道、14位的混合频率采样架构（2 kHz、1 kHz、100 Hz），在硬件层面支持压力、加速度、光强、温度及环境信号的同步采集。采用柔性FPC基板，可在保持机械稳定性的同时，实现与曲面机器人表面的共形集成。为验证触觉感知能力，本研究聚焦于压力传感通道，该通道作为接触力估计与手势动态分析的主要模态。研究分析了四种典型的人机交互动作：轻触、点击、轻捏和重捏。提出了两个无量纲指标——等效波形偏度与等效载荷，用于区分力的强度与手势类别。实验结果表明，该系统可实现清晰的手势分类以及类皮肤的黏弹性响应，平均卸载时间为0.4 s ± 0.2 s。系统支持1.5 Mbps的实时无线数据传输，模块化设计为未来集成更多感知模态提供了可扩展的基础。本工作建立了一个面向力反馈与手势识别的人-机触觉交互硬件框架，具备向多模态感知系统拓展的能力。

引言

触觉感知在机器人领域已得到广泛研究^1,2，然而，大多数电子皮肤（e-skin）系统仍依赖于单模态、低密度的配置，这可能限制对复杂人类触觉的准确解读。尽管柔性触觉材料和器件结构已取得显著进展³，但在系统层面实现多模态、多通道触觉传感与高精度、实时数据采集的集成仍面临持续的技术挑战⁴。因此，在大规模或高通道数的触觉系统中，信号同步、时序协调以及数据吞吐量优化等关键问题亟需系统性解决⁵。为满足这些需求，亟需一种高带宽前端架构，能够管理同步的多通道数据流，保持信号完整性，并支持手势和力的定量表征^6,7,8。

多模态电子皮肤系统已成为使机器人平台能够模拟人类皮肤复杂触觉感知能力的重要进展。传统的单模态传感器仅能检测法向压力或温度，可能无法充分捕捉现实世界中触觉交互的复杂性和动态性。相比之下，受人类感知机制启发的多模态系统可实时检测多种类型的触觉刺激，包括剪切力、振动和热信号。例如，Lee 等人开发了一种仿生触觉感知系统，能够在四个不同的感觉通道中实现实时检测，从而提高了对表面纹理、接触模式及物体交互状态的识别能力⁹。

柔性电子技术的最新进展进一步拓展了这些多模态系统的应用前景，特别是通过开发出能够模拟生物组织力学顺应性和高灵敏度的先进电子皮肤（e-skin）得以实现。例如，新型活性材料的探索与分层结构设计的发展，已催生出具有前所未有触觉灵敏度和多功能性的新一代电子皮肤平台¹⁰。除了材料创新之外，向大规模应用的转变还需要具备高鲁棒性和可扩展性的制造技术。印刷电子技术已成为关键解决方案，能够在多种弹性基底上精确、低成本地集成高密度传感器阵列，同时保持器件性能¹¹。

为了确保这些系统在实际应用中的可靠性，研究人员 increasingly 致力于优化柔性传感器的机电性能和传感机制，以减少信号串扰和环境干扰¹²。最终，该领域的当前范式正从独立的传感组件转向高度集成、智能化的柔性平台，实现先进材料与高效信号处理框架的协同整合¹³。

然而，将多种传感模式集成到统一的阵列中，在信号耦合、同步和数据解释方面带来了巨大挑战。Kong 等人强调，在高密度多模态传感器阵列中，必须采用稳健的集成与解耦策略，以确保准确的信号隔离并最小化串扰¹⁴。此外，柔性传感基底的力学行为显著影响信号保真度。Mu 等人证明，导电聚合物复合材料的粘弹性可能导致信号漂移和滞后现象，凸显了在多模态传感平台中材料建模和系统级补偿策略的重要性¹⁵。总体而言，这些研究结果表明，开发高带宽、考虑粘弹性并实现解耦的多模态电子皮肤系统，对于推进机器人和人机界面中的智能触觉感知至关重要¹⁶。

为了以最小延迟和高信号完整性实现实时采集多通道触觉信号，采用了一种基于复杂可编程逻辑器件（CPLD）的采集框架。先前的研究表明，CPLD适用于在传感器系统中管理高速数据流水线和对时序要求严格的信号流^17,18。

与传统的数据采集架构相比，这种基于CPLD的同步混合频率方法具有若干显著优势。基于微控制器单元（MCU）的系统通常依赖软件层面的同步或顺序轮询，容易受到非确定性时序抖动和中断延迟的影响，从而在高通道数量下影响信号相位对齐¹⁹。相比之下，CPLD基于硬件逻辑的架构可确保全部36个通道的严格并行执行以及纳秒级的确定性时序。此外，尽管现场可编程门阵列（FPGA）提供更高的计算能力，但CPLD在满足混合频率状态机所需的逻辑深度方面更具成本效益和功耗优势，有利于可穿戴电子皮肤应用的长期稳定性。此外，与降低通道数的多路复用方法会牺牲每个通道的有效采样带宽不同，所提出的同步架构为触觉模态保持了稳定的2 kHz采样率，克服了近期文献中指出的异构数据融合瓶颈¹⁹。

本研究展示了一种集成CPLD（复杂可编程逻辑器件）采集系统的多模态柔性电子皮肤。该系统支持36通道14位混合频率采样，其中动态触觉通道以2 kHz运行，辅助模态（包括加速度、温度、湿度、光照和声音传感器）以100 Hz运行（图1）。系统将这些异质传感器集成于柔性印制电路（FPC）基板上，确保了机械适应性与电气稳定性。采用一种顺应性黏弹性封装层¹⁵，并将其分割为多个小矩形单元，以提升触觉交互过程中的局部形变适应性与接触稳定性。

在实际适用性方面，高速并行采样架构经过优化，可在一个受控的实验室环境中捕捉快速的脉冲式触觉事件，例如敲击或纹理滑动。然而，该系统的运行存在一些限制，包括由于软基底的粘弹性漂移和滞后效应可能导致信号保真度下降，因此需要定期校准或采用基于软件的补偿方法。此外，尽管该系统可扩展至更高的通道数量，但当前实现受限于无线传输带宽，从而影响实时可视化能力。

CPLD 负责管理同步多通道信号采集和无线数据传输，确保稳定的实时性能。该方法实现了高密度多模态信号的采集，并为机器人触觉感知提供了可扩展的硬件基础。为评估触觉分辨能力，实验分析了四种典型手势：轻触、点击、轻捏和重捏。

本研究重点在于验证高带宽多模态电子皮肤架构的可行性与信号完整性。压力传感采用基于粘弹性传感材料的压阻机制实现，该材料为一种体电阻率<500 Ωcm 的导电聚合物复合材料。在此配置中，机械压力会改变材料内部的接触电阻，该变化随后由采集系统捕获。选择压力通道作为代表性模态，用于验证实时采集能力与数据质量。尽管系统还支持加速度和温度等其他模态，但其具体实现与分析将留待未来针对特定应用的研究中进行。

为解决高密度触觉数据采集的挑战，本研究采用基于CPLD的硬件架构，并集成Wi-Fi 6模块。如图2所示，该系统设计用于以2 kHz的高速采样率管理36个通道、14位分辨率的数据，产生约1.01 Mbps的原始数据吞吐量。通过利用802.11ax协议，该平台实现了1.5 Mbps的稳定有效传输速率，在典型实验室环境中保持低于0.2%的丢包率。这种基于硬件逻辑的方法消除了传统基于MCU架构中常见的非确定性时序抖动和中断延迟，同时相比基于FPGA的解决方案具有更高的能效和更低的成本。这一可靠的数传管道确保了复杂手势识别与多模态触觉感知所必需的精确实时同步和信号完整性。

定义了两个无量纲指标：等效波形偏度（EWS）和等效载荷（EL）。EWS用于量化触觉响应波形的时间不对称性，而EL则表示在接触持续时间内积分的总体力强度。对这些指标的分析揭示了每种手势具有 distinct 的力学特征，平均卸载时间为0.4 s ± 0.2 s，表明基底的粘弹性响应对系统所捕捉到的时间特性具有贡献。

这些结果表明，利用同步的多模态采集方法实现精确的触觉强度和手势识别是可行的。因此，所提出的系统为定量触觉分析提供了一个功能性的前端平台，并为未来在情感或情绪相关的人机交互领域的发展奠定了基础。

方案

本文所述的所有实验步骤均为非侵入性，不涉及动物或人类临床受试者，因此本研究无需伦理审批。所用试剂和设备列于材料表中。

1. 传感器的制备

1. 粘弹性传感器的制备与集成
   1. 使用精密刻度尺和细尖永久性记号笔，在粘弹性传感材料上标出目标尺寸（例如 5 mm × 5 mm），以确保尺寸准确。使用锋利的细头剪刀沿标记线裁剪材料。尽可能以单次连续动作完成裁剪，以确保边缘整齐，并尽量减少边界处的机械形变或纤维磨损。
   2. 使用[例如异丙醇和无尘擦拭布]清洁柔性印刷电路板（FPC）的表面贴装焊盘，以去除污染物并确保最佳粘附性（图1）。
   3. 使用导电胶将粘弹性材料片粘接至FPC的表面贴装焊盘上。
   4. 在传感材料底部周围涂覆一层薄薄的紫外光固化树脂，以封装胶接部位。使用波长为365 nm、光强为100 mW/cm²的紫外光源照射5分钟，使树脂固化。
   5. 使用数字万用表检测组装后传感器的电气连通性。
      注意：在无负载条件下，电阻值应在5 kΩ至20 kΩ范围内。
   6. 施加外部压力，并测量相应的电阻变化，以表征组装器件的压力敏感特性。

2. 数据采集板的实现

1. 多速率数据采集系统的配置
   1. 将模拟前端和数据转换电路集成到单个柔性FPC基板上（图3）。
   2. 使用五个8通道模拟开关（图4A）进行传感器通道选择，并将其与三个并行的14位逐次逼近寄存器（SAR）模数转换器（ADC）（图4B）连接，以实现信号数字化。
   3. 将ADC和开关网络连接至复杂可编程逻辑器件（CPLD），以管理通道寻址、时序控制和同步。
   4. 使用40引脚FPC连接器将传感器FPC牢固地连接至采集板。确保锁定机构完全啮合，以防止信号不稳定。
2. 基于CPLD的系统控制与数据处理
   1. 对CPLD逻辑进行编程，通过根据所需采样间隔生成精确的时序信号，同步驱动所有ADC。
   2. 配置CPLD内部逻辑门，协调高速通道切换，并将来自三个ADC的并行数据流合并为统一的数据包。
   3. 通过串行接口以1.5 Mbps的波特率传输合并后的数据至Wi-Fi模块，实现与主机计算机的实时无线通信。
3. 用于混合频率采样的ADC接口
   1. 通过由CPLD管理的专用3线串行接口（包括片选CS#、串行时钟SCLK和串行数据SDATA线）控制三个独立的14位SAR ADC。
   2. 在CPLD架构内实现通道专用的时钟分频器，以生成2 kHz、1 kHz和100 Hz模式所需的独立采样率（图5）。
   3. 将每个采样帧存储在相对于公共时间基准的临时缓冲区中。在逻辑中置位单次有效的数据有效标志，以指示数据已准备好进行下游传输。
4. 基于时间片的采样同步实现
   1. 在CPLD中定义一个10 ms的全局采样帧作为基本调度周期，并将其划分为十个均匀的1 ms时间片。
   2. 根据36个传感器通道各自的指定采样频率，在该10 ms帧内为其分配一个或多个固定时隙。
   3. 监控确定性调度方案，以保持所有ADC组和帧之间的严格相位对齐，确保实现同步的混合频率数据采集。

结果

本方案可实现对施加于电子皮肤（e-skin）上的不同触觉手势进行定量表征与区分。将e-skin样品固定在测试平台上，由一名操作者根据表1所列参数执行四种定义的触觉动作：轻触、轻敲、轻捏和强捏。“轻触”动作包括将手指反复轻放在单个e-skin单元上约1分钟，以确保重复操作的稳定性和一致性。

“轻敲”动作为用单个手指以近乎恒定的频率持续触碰该装置约1分钟。“轻捏”和“重捏”动作则由实验者在1分钟内分别以轻微和牢固的压力，用拇指和食指反复捏压该装置，以保持一致的动作周期。

CPLD 捕获的原始时间序列数据能够高保真地表征触觉交互，如图6所示。对四种实验条件——轻柔触摸（图6A）、敲击（图6B）、轻捏（图6C）和强捏（图6D...

讨论

电子皮肤的传感机制从根本上源于其组成聚合物的粘弹性特性^6,15。该材料在受到外力作用时，既表现出弹性形变，也表现出黏性流动。其中黏性组分导致材料在恢复过程中具有典型的滞后性，即在外力移除后，材料不会立即恢复至原始状态，而是需要一定时间才能完成恢复。这些粘弹性特性与聚合物的分子链结构、分子量分布以及工作温度等因素密切相关。关键的是，材料的模量被设计为与人体皮肤相近。

为了量化这种时间相关行为，将“卸载时间”定义为材料在外力移除后恢复至其初始状态90%所需的时长。该恢复过程呈非线性特征。实验数据表明，在正常手指压力范围内，平均卸载时间约为0.4 s，典型偏差为±0.2 s。

确保本方案成功的关键因素在于传感单元的精确制备。具体而言，粘弹性材料的均匀切割（步骤1.1.1）至关重要；尺寸不均会导致36个通道的初始接触电阻出现差异，从而增加等效负载（EL）归一化的难度。此外，导电胶粘剂的固化稳定性以及后续紫外树脂的增强效...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
柔性印刷电路板	JLCPCB	任意一款	用于获取压力数据
模拟开关	TI	TMUX1108PWR	用于选择不同通道
模数转换器	Analog Devices	AD7940BRMZ-REEL7	将模拟信号转换为数字信号
CPLD	Intel	MAX 10M02	数据处理单元
示波器	Tektronix	TBS2000	该示波器用于测量信号波形。
quartus ii	Intel	任意一款	CPLD 编程集成开发环境
粘弹性传感材料	任意厂商	任意型号	该材料用于产生压力信号。
Wi-Fi 6 模块	AI-THINKER	ad-m62-cbs	数据传输模块