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....

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。

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