机器人电子皮肤系统开发：36通道柔性触觉阵列 + FPGA高速采集

引言

近年来，机器人触觉感知成为机器人研究的重要方向。相比传统传感器，电子皮肤（Electronic Skin，E‑skin）能够模拟人体皮肤的触觉能力，使机器人具备感知压力、触摸方式以及环境变化的能力。

本文介绍一套36通道柔性电子皮肤系统的设计方案，并分享其在机器人触觉识别中的开发经验。

该系统采用 FPGA 高速采集架构与多模态传感阵列，可以识别不同类型的人机触觉交互，例如轻触、点击、轻捏和强捏。同时系统还支持多种环境信息采集，如加速度、温度、湿度、光照和声音等，从而构建接近人类皮肤感知能力的机器人触觉系统。

一、电子皮肤系统架构

该电子皮肤系统主要由两个部分组成：

1）传感器阵列层  
柔性 FPC 电路上集成多个传感单元，包括压力传感阵列、三轴加速度计、温湿度传感器、光照传感器以及声音传感器。  
这些传感器均匀分布在柔性电路上，使其可以贴合在机器人表面，实现多点触觉感知。

2）数据采集层  
数据采集系统由 Intel MAX10 FPGA、14bit SAR ADC、多路模拟开关以及 WiFi 通信模块组成。  
该系统可以实现 36 通道同步采样，并实时发送触觉数据。

二、36通道触觉阵列设计

电子皮肤的核心是触觉传感阵列。

本系统设计了36个触觉传感单元，每个单元都能够检测压力变化。传感材料采用粘弹性导电材料，其电阻会随着外部压力变化而改变。

当手指触碰电子皮肤时：

压力 → 电阻变化 → 电压变化 → ADC采集

通过这种方式可以获取触觉信号并进行后续分析。

三、FPGA高速采集系统

为了保证多通道数据同步，本系统采用 FPGA 采集架构。

硬件结构包括：
- 5个模拟开关（TMUX1108）
- 3个14bit ADC（AD7940）
- Intel MAX10 FPGA控制逻辑

FPGA主要负责：
- 通道扫描
- 时序控制
- 数据整合
- 无线发送

系统最高采样能力可达到2kHz多通道同步采样，数据通过WiFi模块以约1.5 Mbps速率发送到上位机。

四、混合采样架构

在电子皮肤系统中，不同传感器需要不同采样频率。例如：

触觉压力：1 kHz  
加速度信号：2 kHz  
环境参数：100 Hz

系统采用混合采样架构，FPGA将10 ms作为一个采样周期并划分为多个时间片，从而实现不同传感器的同步采样，同时避免采样冲突并保证时间一致性。

五、触觉交互识别实验

为了验证电子皮肤系统的触觉识别能力，我们测试了四种典型触觉动作：

- Gentle touch（轻触）
- Tap（点击）
- Light pinch（轻捏）
- Strong pinch（强捏）

实验平台包括电磁驱动装置、硅胶仿生手指、力传感器以及电子皮肤样品。通过控制压力和接触方式，可以模拟不同触觉动作。

六、触觉信号分析

为了区分不同触觉动作，我们定义了两个重要特征指标：

1）等效波形偏度（Equivalent Waveform Skewness，EWS）  
用于描述触觉信号波形在时间维度上的不对称性。

2）等效负载（Equivalent Load，EL）  
表示接触过程中整体压力强度。

通过EWS与EL两个参数，可以有效区分不同触觉动作，例如轻触、点击以及捏取。

七、电子皮肤机械特性

电子皮肤表面采用粘弹性封装材料。

实验结果显示，其平均卸载时间约为：

0.4 ± 0.2 秒

这种机械特性与人体皮肤类似，因此能够更真实地模拟触觉行为。

八、机器人应用场景

电子皮肤在机器人领域具有广泛应用，例如：

1）机器人触觉感知  
机器人可以感知触摸强度、触摸位置以及触觉类型。

2）人机交互  
例如拍机器人、触摸控制、握手等交互动作。

3）情感交互机器人  
未来电子皮肤还可以用于识别抚摸、安抚等情感触觉行为。

九、总结

本文介绍了一种36通道柔性电子皮肤系统，该系统具有多模态传感、FPGA高速采集以及混合采样架构等特点。

该系统为机器人触觉感知提供了一个可扩展的平台，在机器人、人机交互以及智能假肢等领域具有广阔应用前景。

技术交流

在实际项目中，我们也设计了一套36通道电子皮肤触觉阵列模块，可用于机器人触觉研究和算法验证。

如果有从事机器人触觉、柔性传感器或人机交互相关研究的工程师，欢迎交流技术问题。