CN111504521A - 柔性电容阵列及其制备方法、和电容阵列检测系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种柔性电容阵列及其制备方法、电容阵列检测系统和机器人。可以基于电容阵列检测系统的结果进行该机器人的运动平衡控制。该柔性电容阵列，包括：第一柔性电极层，其上设置有第一电极阵列；第二柔性电极层，其上设置有与第一电极阵列相对设置的第二电极阵列；间隔层和介电层，所述间隔层和介电层设置于第一电极阵列中与第二电极阵列中相对设置的每个电极对之间，其中，所述电极对、所述间隔层和所述介电层组成了所述柔性电容阵列的单元电容。本公开的柔性电容阵列通过间隔层可以在实现高灵敏度的同时提高柔性电容阵列的稳定性。

Description

柔性电容阵列及其制备方法、和电容阵列检测系统
技术领域
本公开的实施例涉及一种柔性电容阵列及其制备方法、电容阵列检测系统和机器人。
背景技术
随着智能机器人技术的发展和机器人应用场景的深化，人们希望机器人不但能够完成设定的机械运动，还可以感知外界环境并做出反馈。目前，机器人所使用的力学传感器通常是多轴力传感器。多轴力传感器大多是刚性的，并体积较大。现有的柔性传感器虽然能够小型化，但是其能够测量的压强相对较小，并不能适应如机器人运动检测这类超高压强下的应用。同时，现有的柔性传感器的稳定性也不足以准确测量机器人运动中的压强。因此，通过现有的传感器很难测量机器人足端受力以及机器人站立稳定性，从而给机器人的稳定步态行走、奔跑跳跃的设计和开发造成了困难。
发明内容
本公开的至少一个实施例提供一种柔性电容阵列，包括：第一柔性电极层，所述第一柔性电极层上设置有第一电极阵列，其中所述第一电极阵列中的多个第一电极排列成包括M行和N列的矩阵，其中M、N为正整数；第二柔性电极层，所述第二柔性电极层上设置有第二电极阵列，其中所述第二电极阵列中的多个第二电极排列成包括M行和N列的矩阵，并且第二电极阵列中的第i行第j列的第二电极与第一电极阵列中的第i行第j列的第一电极相对设置以形成电极对，i大于等于零且小于M，j大于等于零且小于N；介电层，所述介电层设置于第一柔性电极层和第二柔性电极层之间；第一间隔层，所述第一间隔层设置于第一电极阵列和所述介电层之间，其中，所述第一电极阵列与第二电极阵列中相对设置的每个电极对、和介于所述电极对之间的所述第一间隔层和所述介电层的部分构成所述柔性电容阵列的单元电容，每个单元电容包括第一双电层电容，所述第一双电层电容由第一电极、第一间隔层和介电层构成；其中，在按压状态下，所述单元电容中的介电层穿过第一间隔层与第一电极接触以形成至少一个第一接触面，所述至少一个第一接触面中的每个接触面处形成第一微型双电层电容，且所述至少一个第一接触面处的至少一个第一微型双电层电容并联以形成第一双电层电容。
本公开的至少一个实施例还提供一种柔性电容阵列的制备方法，包括：设置第一柔性电极层，所述第一柔性电极层上设置有第一电极阵列，其中所述第一电极阵列中的多个第一电极排列成包括M行和N列的矩阵，其中M、N为正整数；设置第一间隔层，将所述第一间隔层置于所述第一柔性电极层之上；设置介电层，将所述介电层置于所述第一间隔层之上；设置第二柔性电极层，所述第二柔性电极层上设置有第二电极阵列，其中所述第二电极阵列中的多个第二电极排列成包括M行和N列的矩阵；将第二柔性电极层置于在所述介电层之上，以使得第二电极阵列中的第i行第j列的第二电极与第一电极阵列中的第i行第j列的第一电极相对设置以形成电极对，其中，i大于等于零且小于M，j大于等于零且小于N；其中，所述第一电极阵列与第二电极阵列中相对设置的每个电极对、和介于所述电极对之间的所述第一间隔层和所述介电层的部分构成所述柔性电容阵列的单元电容，每个单元电容包括第一双电层电容，所述第一双电层电容由第一电极、第一间隔层和介电层构成；其中，在按压状态下，所述单元电容中的介电层穿过第一间隔层与第一电极接触以形成至少一个第一接触面，所述至少一个第一接触面中的每个接触面处形成第一微型双电层电容，且所述至少一个第一接触面处的至少一个第一微型双电层电容并联以形成第一双电层电容。
本公开的至少一个实施例还提供一种电容阵列检测系统，包括：上述的柔性电容阵列；电容选择电路，被配置为选通所述柔性电容阵列中的一个或多个单元电容；激励电路，被配置为在所述电容选择电路的控制下向所述柔性电容阵列的第一电极阵列中的一个或多个电极引线和第二电极阵列中的一个或多个电极引线输出激励信号；电容检测电路，被配置为检测所述一个或多个单元电容的电容值。
本公开的至少一个实施例还提供一种机器人，可以基于电容阵列检测系统的结果进行该机器人的运动平衡控制。该机器人包括：上述的电容阵列检测系统，其中，所述的电容阵列检测系统中的柔性电容阵列设置在机器人的至少一部分的压力传感检测面上；冲击力检测器，被配置为根据所述的电容阵列检测系统所检测的一个或多个单元电容的电容值计算冲击力检测值及冲击力发生位置；冲击扰动确定器，被配置为基于冲击力检测器的冲击力检测值及冲击力发生位置确定冲击扰动是否发生；抗冲击扰动控制器，被配置为响应于所确定的冲击扰动，调整所述机器人的操作参数，以控制机器人抗击冲击扰动。
本公开的一个或多个实施例公开了一种柔性电容阵列及其制备方法、电容阵列检测系统和机器人，使得柔性电容阵列整体呈现出柔性并大幅提高压力传感系统的灵敏度、稳定性和承受高压强的能力。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制。
图1示出了智能足式机器人的示意图。
图2A为本公开一些实施例提供的柔性电容阵列的示意图。
图2B为本公开的一些实施例提供的柔性电容阵列的原理的示意图。
图2C为本公开的一些实施例提供的柔性电容阵列中的间隔层的结构的示意性的俯视图。
图2D为本公开一些实施例提供的柔性电容阵列中的双电层电容的等效电路图。
图3A为本公开一些实施例提供的柔性电容阵列中的第一电极阵列的一部分的示意图。
图3B为本公开一些实施例提供的柔性电容阵列中的第二电极阵列的一部分的示意图。
图3C为本公开一些实施例提供的柔性电容阵列的结构示意图。
图4A为本公开一些实施例提供的柔性电容阵列的另一种结构示意图。
图4B为本公开一些实施例提供的柔性电容阵列的第一电极阵列的俯视图。
图4C为本公开一些实施例提供的柔性电容阵列的另一种结构示意图。
图5示出了本公开一些实施例提供的柔性电容阵列的制备方法的流程图。
图6A为本公开一些实施例提供的柔性电容阵列的灵敏度示意图。
图6B为本公开一些实施例提供的柔性电容阵列随时间电容漂移曲线。
图6C为本公开一些实施例提供的柔性电容阵列的循环测试曲线。
图6D为本公开一些实施例提供的柔性电容阵列的阵列图。
图7A为本公开一些实施例提供的电容阵列检测系统的等效电路图。
图7B为本公开一些实施例提供的电容阵列检测系统的架构图。
图7C为本公开一些实施例提供的电容阵列检测系统检测压力传感信息的流程图。
图7D为本公开实施例提供的电容阵列检测系统的串扰补偿电路的等效电路图。
图8为本公开一些实施例提供的机器人的示意图。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
下面结合附图对本公开的实施例及其示例进行详细说明。
图1示出了智能足式机器人10的示意图。
参见图1，在实际环境之中，为了使得智能足式机器人10可以协助或替代人类执行单调重复或高危任务，智能足式机器人10需要具有稳定的移动能力。因此，智能足式机器人10需要能够在移动的过程中检测到足底所受到的地面对其冲击力的大小和方向。因此，通常在智能足式机器人10的足底的检测面上设置力学传感器，以使得智能足式机器人10可以根据该冲击力判断如何进行平衡稳定控制。
智能足式机器人10可以是基于人工智能的。人工智能(ArtificialIntelligence,AI)是利用数字计算机或者数字计算机控制的机器模拟、延伸和扩展人的智能，感知环境、获取知识并使用知识获得最佳结果的理论、方法、技术及应用系统。换句话说，人工智能是计算机科学的一个综合技术，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器。人工智能也就是研究各种智能机器的设计原理与实现方法，使机器具有感知、推理与决策的功能。人工智能技术是一门综合学科，涉及领域广泛，既有硬件层面的技术也有软件层面的技术。传感器可以作为人工智能基础技术之一。
现有的智能足式机器人10所使用的力学传感器通常是多轴力传感器。这些力学传感器大多是刚性的，并体积较大。因此，安装刚性的力学传感器对于足底面积小的足式机器人并不适用。现有的柔性传感器虽然能够小型化，但是其能够测量的压强相对较小，并不能适应如足式机器人运动检测这类超高压强下的应用。同时，现有的柔性传感器的稳定性也不足以准确测量机器人运动中的压力。
为此，本公开提出了一种响应速度快，精度高，量程大，抗冲击性能强的柔性电容阵列，其例如可以作为如图1所示的智能足式机器人10足底的力学传感器。该柔性电容阵列能够精确地检测出地面对智能足式机器人足底10的冲击力的大小和方向。智能足式机器人10一方面可以基于该冲击力计算出机器人的零力矩点，作为其是否失稳、是否需要进行平衡控制的判定依据。另一方面，智能足式机器人10可以基于此力构建全身动力学平衡控制器，将测得的冲击力作为外力输入，从而计算出受到冲击力的状态下为保持平衡各关节的力矩或角度补偿量。同时，智能足式机器人10还可以基于该冲击力设计足底减震控制器，根据柔性电容阵列所检测到的力与预先规划的足底受力之间的误差，调整足部与地面的相互作用力，实现摆动脚较为柔顺落地，减小落地冲击，支撑脚尽量贴合地面，提高足式机器人的移动稳定性。由于本发明中的柔性电容阵列是阵列化排布的，其能在不改变足底机械结构下快速安装，更适用于当前的智能足式机器人10的设计。
本公开还提出了一种电容阵列检测系统，其包括上述的柔性电容阵列。根据本公开实施例的电容阵列检测系统还可以作为人体步行参数测量装置的组件来使用。人体的步行参数对生物医疗领域及双足机器人领域的研究具有重要意义。在生物医疗领域，人体的步行参数与其身体状态强相关，如帕金森病人有独特的足底压力分布情况，糖尿病人常见的并发症足部溃烂将影响其行走步态。根据本公开实施例的电容阵列检测系统可以通过检测人在步行时地面对人的足底的冲击力，进而测量并记录正常人与病人的步行参数，结合机器学习进行大数据分析，得到不同病症下的步行参数，从而辅助医生治疗。在双足机器人领域，由于人类经过数千万年的自然进化，具有极优秀的灵巧性和极强的环境适应性，根据本公开实施例的电容阵列检测系统可以测量人体行走步行参数，将其作为双足机器人步态规划的重要依据，模拟人体运动机理进行双足机器人的研发，以提高双足机器人对复杂环境的适应能力。
本公开的一个或多个实施例公开了一种柔性电容阵列及其制备方法、电容阵列检测系统和机器人，使得柔性电容阵列整体呈现出柔性并大幅提高压力传感系统的灵敏度、稳定性和承受高压强的能力。
图2A为本公开一些实施例提供的柔性电容阵列20的示意图。图2B为本公开的一些实施例提供的柔性电容阵列20的原理的示意图。图2C为本公开的一些实施例提供的柔性电容阵列20中的第一间隔层204的结构的示意性的俯视图。图2D为本公开的一些实施例提供的柔性电容阵列20中的单元电容的等效电路图。
图2A和图2B仅示出了柔性电容阵列20的一个单元电容的结构，但是本领域技术人员应当理解，柔性电容阵列20中可以包括多个与图2A和图2B所示的单元电容结构类似的单元电容。
如图2A所示，该柔性电容阵列20包括：第一柔性电极层201、第二柔性电极层20、介电层203和第一间隔层204。其中，第一柔性电极层201上设置有第一电极阵列2012。其中，所述第一电极阵列中的多个第一电极排列成包括M行和N列的矩阵，其中M、N为正整数。
第二柔性电极层202上设置有第二电极阵列2022。其中所述第二电极阵列中的多个第二电极排列成包括M行和N列的矩阵，并且第二电极阵列中的第i行第j列的第二电极与第一电极阵列中的第i行第j列的第一电极相对设置以形成电极对，i大于等于零且小于M，j大于等于零且小于N。
对于第一电极阵列2012中与第二电极阵列2022中相对设置的每个电极对，该电极对之间设置有第一间隔层204和介电层203。一个电极对，以及该电极对中间的第一间隔层204和介电层203组成了柔性电容阵列20中的一个单元电容。
可选地，第一间隔层204包括使介电层203与所述电极对中的至少一个电极间隔的空腔。例如，图2A中示出了第一间隔层204的横截面视图，第一间隔层204的空腔将第一电极阵列2012中的电极与介电层203间隔开。
可选地，电极对中还可以设计另一个间隔层(例如，第二间隔层)，以将第二电极阵列2022中的电极与介电层203间隔开，从而使得第一电极阵列2012和第二电极阵列2022中的电极都与介电层203间隔开。
可选地，第一间隔层204和/或第二间隔层中的空腔包括：由聚二甲基硅氧烷(PDMS)支撑柱构成的空腔、由高分子薄膜的框型支架构成的空腔、或由网孔状的高分子薄膜构成的空腔。由高分子薄膜的框型支架构成的空腔可以通过整张高分子薄膜切割中间部分来形成仅有边框的支架。
图2C中示出了第一间隔层204和/或第二间隔层的多种俯视图。网孔状的高分子薄膜中的网孔可以是如图2C所示蜂窝形网孔、圆形网孔、方形网孔、棱形网孔等。本领域技术人员应当理解，除引入空腔的方式增加空气层/有机层外，还可以通过其他方式引入间隔层，本公开对此不作限定。
相比于传统的离子型电容传感器，第一间隔层204的设计可以减少传感器的信号漂移，并增加传感器的稳定性。
可选地，介电层203为由聚乙烯醇-磷酸(PVA-H3PO4)组成的离子凝胶薄膜。相比于传统的离子型电容传感器，聚乙烯醇-磷酸(PVA-H3PO4)材料的介电层203的稳定性和灵敏度都更高。本领域技术人员应当理解，还可以使用其它材料来替代聚乙烯醇-磷酸介电层，例如可以使用离子液体浸泡高分子纤维、纸张等方法而获得离子介电层，或者使用液态离子液体作为介电层203。
可选地，介电层203的表面可以是一面具有微结构，而另一面平整的。可选地，介电层203靠近第二电极阵列2022的一侧可以是平整的，介电层203靠近第一间隔层204的一侧可以是具有微结构的。
此外，根据需要，柔性电容阵列20还可以包括其他结构或功能层。例如，在一些实施例中，该柔性电容阵列20可以包括引线层，以用于实现传输压力传感信号的功能。又例如，该柔性电容阵列20还可以包括保护层，例如该保护层为柔性薄膜保护层等。例如，在一些实施例中，该柔性电容阵列20还可以包括其他功能层，这些功能层可以通过光学透明胶(OCA胶)结合在第一柔性电极层201或第二柔性电极层202上，本公开的实施例对柔性电容阵列20的其他结构不作具体限定。
第一柔性电极层201包括第一柔性薄膜层2011，第一电极阵列2012被制作在所述第一柔性薄膜层2011上。第二柔性电极层202包括第二柔性薄膜层2021，第二电极阵列2022被制作在第二柔性薄膜层2021上。柔性电容阵列20用柔性薄膜材料封装。由于柔性电容阵列20中的所有部件全部使用具有柔性的材料制作，其整体能够进行一定的弯曲和拉伸变形，能够在一定的变形下保证力学传感性能的稳定。当将柔性电容阵列20应用于足式机器人时，柔性电容阵列20能够完好的贴附在机器人的足底或机器人外表面的任意位置上，以使得压力传感信号更加稳定、准确。第一电极阵列2012和第二柔性电极层202还可以是大面积的柔性电极层。因此，柔性电容阵列20能够随形的贴附在机器人的足底或机器人外表面的任意位置上，以实现机器人的全方位力学传感。
具体地，为了形成柔性电极层，第一电极阵列2012可以通过银纳米喷涂或物理气相沉积的方式被制作在第一柔性薄膜层2011上。类似地，第二电极阵列2022也可以通过银纳米喷涂或物理气相沉积的方式被制作在第二柔性薄膜层2021上。具体的，物理气相沉积方式包括蒸镀(例如，电子束蒸镀)或溅射。第一柔性薄膜层2011和第二柔性薄膜层2021可以由以下材料中的至少一项组成：热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇(PVA)、尼龙6(PA6)、聚乳酸(PLA)、聚丙烯腈(PAN)、和聚醚砜(PES)。
例如，可以首先置备出具有预设电极图案的掩模版，然后使用银纳米线喷涂的方法在柔性薄膜聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)上喷涂出图案化的阵列电极。银纳米线是一种纳米尺度的银制的线。银纳米线除具有银的优良的导电性之外，由于其的纳米级别的尺寸效应，银纳米线还具有透光性和耐曲挠性，从而实现高度的柔性和导电性。或者，还可以使用电子束蒸镀(Electron Beam Evaporation)的方法在柔性薄膜(例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET))上蒸镀Au薄膜，制作出图案化的电极阵列。电子束蒸镀是一种物理气相沉积工艺。电子束蒸镀可以在电磁场的配合下，精准地使用高能电子轰击坩埚内靶材(例如铝(Au))，使之融化进而沉积在基片上(例如柔性薄膜上)，进而镀出高纯度高精度电极阵列。当然，还可以使用其它的方式在柔性薄膜上制作出第一电极阵列2012和第二电极阵列2022，本公开对此不作限制。
由此，在第一柔性电极层201、第二柔性电极层202中形成了柔性电极层。
如图2B所示，第一电极阵列2012中的第一电极、第一间隔层204、和介电层203之间形成了可变的电容结构--第一双电层电容C1EDL。为方便说明，此处的第一电极指代第一电极阵列2012中的任意一个第一电极。例如，图2B中第一电极阵列2012中的第一电极、第一间隔层204和介电层203之间形成电极-间隔层-介电层结构2041。在电极-间隔层-介电层结构2041上，第一电极内部的表面电荷会从介电层203中吸附离子(例如，图2B中的白色圆圈所示)。从而，在电极-间隔层-介电层界面2041处，介电层靠间隔层的一侧形成一个电荷数量与第一电极内部的表面电荷数量相等、且符号相反的离子界面层。例如，在第一电极上施加了负电压的情况下，第一电极靠第一间隔层204的一侧形成了负电荷层，而介电层203靠第一间隔层204的一侧形成了阳离子层。由于第一间隔层204的存在，使得阳离子层的阳离子和负电荷层中的负电荷都不能越界而彼此中和。可选地，介电层203靠第一间隔层204的一侧可以是具有微结构的。在对第一电极施加压力(按压状态)时，介电层203的离子凝胶表面微结构可以部分穿过第一间隔层204与第一电极的电极接触，从而在电极-间隔层-介电层结构2042处形成了可变的电容结构。
图2D示出了施加了压力之后的柔性电容阵列的单元电容的等效电路图。在未按压状态下，电极-间隔层-介电层结构2041的间距较大。而在按压状态下，由于第一间隔层204的存在并且介电层203靠第一电极的一侧的微结构具有不同的微锥高度，第一电极与介电层203之间的距离减小。并且介电层203中的部分区域将与第一电极产生相互触碰，进而形成至少一个第一接触面。在每个第一接触面处就形成了第一微型双电层电容。参考图2D，假设电极-间隔层-介电层结构2041处因压力而形成了N个接触面，其中，第i个接触面形成的微型双电层电容为C1EDL/i。在电极-间隔层-介电层结构2041，N个接触面形成的N个微型双电层电容为并联关系。根据电容的并联公式，那么在电极-间隔层-介电层结构2041处的第一双电层电容C1EDL大小为各微型双电层电容之和，也即C1EDL＝C1EDL/1+C1EDL/2+C1EDL/3+…C1EDL/i-1+C1EDL/i+C1EDL/i+1…＝ΣC1EDL/i(1≤i≤N)。
可选地，第二电极阵列2022的第二电极和介电层203之间形成了一个电极-介电层结构(也即，第二双电层电容C2EDL)。为方便说明，此处的第二电极指代第二电极阵列2022中的任意一个第二电极。例如，图2B中第二电极阵列2022和介电层203之间形成电极-介电层结构2042。在电极-介电层结构2042处，第二电极内部的表面电荷会从介电层203的电解质中吸附离子(例如，图2B中的白色圆圈所示)。从而，在电极-介电层结构2042处，靠介电层的一侧形成一个电荷数量与第二电极内部的表面电荷数量相等、且符号相反的离子界面层。例如，在第二电极上施加了正电压的情况下，电极-介电层结构2042处靠第二电极的一侧形成了正电荷层，而电极-介电层结构2042处靠介电层203的一侧形成了阴离子层。由于电极-介电层结构2042的存在，使得正电荷层的正电荷和阴离子层上的阴离子都不能越界而彼此中和，因此在电极-介电层结构2042处形成了稳定的双电层电容(也即第二双电层电容C2EDL)。此时，由于电极-介电层结构2042中第二电极始终与介电层203接触，第二双电层电容C2EDL的电容值保持不变。
假设电极-介电层2042处形成了大小为C2EDL的双电层电容。参考图2D，C1EDL与C2EDL成串联关系。因此，在施加压力时，该单元电容的双电层电容的电容值CEDL与C1EDL和C2EDL的关系为：1/CEDL＝1/C1EDL+1/C2EDL。因此，该单元电容的双电层电容的电容值CEDL的大小为：
CEDL＝C1EDL·C2EDL/(C1EDL+C2EDL)＝ΣC1EDL/i·C2EDL/(ΣC1EDL/i+C2EDL)。
从而，电极对、电极对中间的第一间隔层204和介电层203组成了柔性电容阵列20中的一个单元电容，该单元电容为离子型的双电层电容。
此外，第一电极和第二电极之间还形成了一个静电容。在施加压力之后，由于挤压了介电层和间隔层，导致第一电极与第二电极之间的距离减小。根据电容的计算公式
Figure BDA0002480658420000111
其中，C为单元电容的静电容的电容值，ε为材料的介电常数，S为第一电极与第二电极的正对面积，k为静电力常量，d为第一电极与第二电极之间的距离。在柔性电容阵列20中第一电极与第二电极正对放置，从而柔性电容阵列20的静电场可以近似为平行电场。正如图2B中所示，在压力的作用下，第一电极阵列2012与第二电极阵列2022之间的距离d减小。又由于第一间隔层204中的空腔结构随着压力的作用体积也随之减小，因此介电常数ε就随之增加，进而单元电容的静电容的电容值增加。
相较于单元电容的静电容而言，该单元电容的双电层电容要大得多，因此传感器受压时，由于电极与微结构的接触面积增大，而总的CEDL的大小随着C1EDL的增加而剧烈变化，也即随着电极与介电层的微结构的接触面积的增加而剧烈增加，从而呈现出高度的灵敏性。
因此，本公开的上述实施例通过将柔性电极阵列直接制作在柔性薄膜材料的衬底上并使用柔性的离子型传感活性材料作为介电层，实现了力学传感体系的柔性、高传感密度和高传感灵敏度。此外，本公开的上述实施例还通过间隔层的设计大大减少传感器的信号漂移，并增加传感器的稳定性。由此，本公开的一个或多个实施例的柔性电容阵列整体呈现出柔性并大幅提高压力传感系统的灵敏度、稳定性和承受高压强的能力。
可选地，在介电层203和第二电极阵列2022之间还可以包括第二间隔层(未示出)。在这样的情况下，第二双电层电容C2EDL由第二电极、第二间隔层、介电层203构成。类似地，在按压状态下，单元电容中的介电层203穿过第二间隔层与第二电极接触以形成至少一个第二接触面，所述至少一个第二接触面中的每个接触面处形成第二微型双电层电容，且所述至少一个第二接触面处的至少一个第二微型双电层电容并联以形成第二双电层电容。此时，第二双电层电容C2EDL为可变双电层电容。此时，在按压状态下，由于电极与微结构的接触面积增大，而总的CEDL的大小随着C1EDL和C2EDL的增加而剧烈变化，也即随着第一电极、第二电极与介电层的微结构的接触面积的增加而剧烈增加，从而呈现出高度的灵敏性。
图3A为本公开一些实施例提供的柔性电容阵列20中的第一电极阵列2012的一部分的示意图。图3B为本公开一些实施例提供的柔性电容阵列20中的第二电极阵列2022的一部分的示意图。图3C为本公开一些实施例提供的柔性电容阵列20的结构示意图。
在图3A和图3B中示出的实施例中，第一电极阵列2012中同一行的多个第一电极在行方向上电性连接以形成在行方向上平行的M个电极串，而第二电极阵列2022中同一列的多个第二电极在列方向上电性连接以形成在列方向上平行的N个电极串。
第一电极阵列2012和第二电极阵列2022相对设置，并且行方向和列方向不同。可选地，行方向和列方向几乎垂直。
第一电极或第二电极中至少一个电极的电极图案为圆形、长方形或正方形。例如，电极图案可以是图2A和图2B中示出的正方形。当然，电极图案的尺寸可以根据实际的应用场景来进行确定，本公开对此不进行限制。
图3C示出了柔性电容阵列20的结构示意图，其可用于智能足式机器人。可选地，对于智能足式机器人而言，可以将柔性电容阵列20的大小设计为5mm*5mm。智能足式机器人的单足足底压力分布测试的阵列可以包括一个或多个5mm*5mm的柔性电容阵列20。可选地，对于图1中的智能足式机器人10的每条腿可以设置至少4个柔性电容阵列20，四条腿可能需要总16个柔性电容阵列20。由于可以对智能足式机器人10的四条腿都可以获取压力反馈信息，因此可以对四足的压力反馈进行综合分析，从而对智能足式机器人的重心倾向进行快速反应从而提供运动稳定性判据。因此，本公开的实施例可以为足式机器人(比如机器狗)的运动，提供快速精确的定量化足底压力分布及大小的反馈，而简化了传统的利用刚性力传感器(例如多轴力传感器)计算力矩的复杂过程。
可选地，每个柔性电容阵列20可以包括4*4个单元电容，共16个单元电容。第一电极阵列2012用4个传感单元作为一个串联电极，共计4列。第二电极阵列2022也包括4列串联了4个电极的电极串。由此，柔性电容阵列20共计有8个电极引出线。最后通过交叉叠放介电层203和第一间隔层204，即可制作出包括的4*4的标准阵列的柔性电容阵列20。
由此，当柔性电容阵列20接收到压力时，柔性电容阵列20可以定位到4*4的电极阵列中的一个或多个电容的变化，进而确定压力的大小和位置。本公开的上述实施例通过将柔性力学电极阵列直接制作(例如印刷)在柔性薄膜材料的衬底上并使用柔性的离子型传感活性材料作为介电层，同时在电极和介电层之间设置有间隔层，实现了柔性电容阵列20的柔性、高传感密度、高传感灵敏度、高稳定性和可测高压强的能力。与现有的多轴力传感器相比，由于柔性电容阵列20的材料全部由柔性材料组成，由此其可以更好贴附在弯曲或不平整的机器人外表面上且不易掉落，由此实现了更好的随形贴附性。如图3A至图3C所示的电极排布方式线路排布清晰，可以简化测试的工作量(一次可以测试一整条串联的电极)，减小引线的布线空间并减小电极之间的串扰，从而实现高密度的电极排布。
值得注意的是，图3A至图3C仅示意性地示出第一电极阵列2012和第二电极阵列2022中的一部分的电极分布方式的示例，但是本公开的实施例对第一电极阵列2012和第二电极阵列2022中包括的电极的个数、排列方式和具体位置均不作限定只要当柔性电容阵列20可以实现触摸位置和触摸压力的检测即可。
图4A为本公开一些实施例提供的柔性电容阵列20的另一种结构示意图。图4B为本公开一些实施例提供的柔性电容阵列20的第一电极阵列2012的俯视图。图4C为本公开一些实施例提供的柔性电容阵列20的另一种结构示意图。
参见图4A和图4C，与上述实施例类似地，第一电极阵列2012或第二电极阵列2022的多个电极中至少一个电极的电极图案为圆形、长方形或正方形。
第一电极阵列中的多个第一电极相互电性连接且共同电性连接至一条共同的引线。例如，在图4A中第一电极阵列2012中的每个电极至少与第一电极阵列2012中的另一个电极连接(形成一个“四”字)，而第二电极阵列2022中的每个第二电极具有单独的引线。针对4*4阵列而言，第一电极阵列2012的16个的电极分别与第一电极阵列2012的其他电极连接，总共具有一个电极引出线。第二电极阵列2022的每个电极都使用一个电极引出线，即共计有17根电极引出线。
在图4C中，第一电极阵列2012中的每个第一电极具有单独的引线。第二电极阵列2022中的每个第二电极具有单独的引线。由于每个电极单独引线，其可以减少电极之间串扰。图4C中的每个单元电容的电学特性都是独立的，根据阵列方案进行位置排布和固定。由此，在柔性电容阵列20中电学信号干扰大幅消除。因为每个单元电容皆需要上下至少两个电极，因此图4C的排布方式共计32个电极引出线。
如图4A至图4C所示的电极排布方式，第一电极阵列2012和第二电极阵列2022中相对设置的两个电极与其之间的介电层和间隔层构成了单元电容，每个单元电容都可以作为独立的传感器单独工作，从而有利于复杂空间的力学检测。
值得注意的是，图4A至图4C也仅示意性地示出第一电极阵列2012和第二电极阵列2022中的一部分的电极和引线分布方式的示例，但是本公开的实施例对第一电极阵列2012和第二电极阵列2022中包括的电极的个数、排列方式、引线排布和具体位置均不作限定只要当柔性电容阵列20可以实现压力的位置和大小的检测即可。
图5示出了本公开一些实施例提供的柔性电容阵列20的制备方法500的流程图。根据本公开一些实施例的制备方法500包括以下步骤。虽然以顺序示出了制备方法500中的各个步骤501-506，但是本领域技术人员应当理解，步骤可以以与图5中所示的顺序不同的顺序执行，或这些步骤也可同时执行。此类替代顺序的实施例可包含重叠、交错、中断、重新排序、增量、准备、补充、同时、反向或其它变体顺序。
在步骤501中，可以设置第一柔性电极层201。第一柔性电极层201上设置有第一电极阵列2012。其中，所述第一电极阵列2012中的多个第一电极排列成包括M行和N列的矩阵，其中M、N为正整数。具体地，可以使用银纳米线喷涂方式在第一柔性电极层201的第一柔性薄膜层2011喷涂出图案化的第一电极阵列2012。或者，还可以使用电子束蒸镀方式在第一柔性电极层201的第一柔性薄膜层2011蒸镀图案化的第一电极阵列2012。如上所述，第一柔性薄膜层2011可以由以下材料中的至少一项组成：热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇(PVA)、尼龙6(PA6)、聚乳酸(PLA)、聚丙烯腈(PAN)、和聚醚砜(PES)等。
例如，可以利用制作好的掩模版来辅助上述的银纳米线喷涂和电子束蒸镀工艺。具体的，该掩模版中的电极图案中的每个电极可以是圆形、长方形或正方形。
在步骤502中，可以设置第一间隔层204，将第一间隔层204置于第一柔性电极层201之上。其中，制备第一间隔层204可以包括：制备微柱结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜以形成由聚二甲基硅氧烷(PDMS)支撑柱构成的空腔；制备高分子薄膜，并将该高分子薄膜切割成框架结构的高分子薄膜，以形成由高分子薄膜的框型支架构成的空腔；或制备将高分子溶液置于网状结构的模板上，将所述混合溶液固化后获得所述第一间隔层204，以形成由网孔状的高分子薄膜构成的空腔。
在步骤503中，可以设置介电层203，并将介电层203放置在第一间隔层204之上。介电层203为由聚乙烯醇-磷酸(PVA-H3PO4)组成的离子凝胶薄膜。介电层203的制备方法为，首先将聚乙烯醇(PVA)单质溶解于水中。例如，可以通过将PVA加入装有水的容器中，随后通过水浴加热该容器，在约90℃下同时进行搅拌，大约1-2小时后PVA完全溶解于水即可形成无色透明的凝胶状溶液。然后向所述凝胶状溶液加入磷酸以形成混合溶液。例如，可以向PVA水溶液中加入磷酸(H3PO4)，并通过磁子进行常温下搅拌约1小时，随后整体呈透明状，其中混合有少许凝絮状物质。此时，混合溶液(PVA-H3PO4水溶液)即制备完成。接着，可以将混合溶液倒在微结构模板上，例如将PVA-H3PO4水溶液浇筑到预先准备好的结构模板表面，固化即可揭膜，得到聚乙烯醇-磷酸(PVA-H3PO4)的离子凝胶薄膜。最后将离子凝胶薄膜切割为所需求大小，并密封保存等待使用。
本公开不对制备介电层203和第一间隔层204的顺序进行限制。例如，在本公开中，可以先制备介电层203再制备第一间隔层204。
在步骤504中，制备第二柔性电极层202，其上设置有第二电极阵列2022。其中，第二电极阵列2022中的多个第二电极排列成包括M行和N列的矩阵。类似地，可以使用银纳米线喷涂方式在第二柔性电极层202的第二柔性薄膜层2021喷涂出图案化的第二电极阵列2022。或者，还可以使用电子束蒸镀方式在第二柔性电极层202的第二柔性薄膜层2021蒸镀图案化的第二电极阵列2022。如上所述，第二柔性薄膜层2021可以由以下材料中的至少一项组成：热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇(PVA)、尼龙6(PA6)、聚乳酸(PLA)、聚丙烯腈(PAN)、和聚醚砜(PES)等。第二电极阵列2022的电极图案可以与第一电极阵列2012的电极图案类似。
在步骤505中，将第二柔性电极层202置于介电层203之上，以使得第二电极阵列2022中的第i行第j列的第二电极与第一电极阵列2012中的第i行第j列的第一电极相对设置以形成电极对，其中，i大于等于零且小于M，j大于等于零且小于N。
在步骤506中，将第一柔性电极层201、介电层203、第一间隔层204和第二柔性电极层202封装成柔性电容阵列20。
例如，在第一柔性电极层201中没有与介电层接触的空余位置(例如多条串联电极之间的间隔)可以使用各种填料填充，例如双面胶。接着，再将第二柔性电极层202放置在介电层203之上。在一个实施例中，第一柔性电极层201和第二柔性电极层202通过空余位置中的填料粘合在一起，进而完成了柔性电容阵列20的封装。
其中，所述第一电极阵列与第二电极阵列中相对设置的每个电极对、和介于所述电极对之间的所述第一间隔层和所述介电层的部分构成所述柔性电容阵列的单元电容，每个单元电容包括串联连接的第一双电层电容和第二双电层电容，所述第一双电层电容由第一电极、第一间隔层和介电层构成。在按压状态下，所述单元电容中的介电层穿过第一间隔层与第一电极接触以形成至少一个第一接触面，所述至少一个第一接触面中的每个接触面处形成第一微型双电层电容，且所述至少一个第一接触面处的至少一个第一微型双电层电容并联以形成第一双电层电容。
图6A为本公开一些实施例提供的柔性电容阵列20的灵敏度示意图。图6B为本公开一些实施例提供的柔性电容阵列20随时间电容漂移曲线。图6C为本公开一些实施例提供的柔性电容阵列20的循环测试曲线。图6D为本公开一些实施例提供的柔性电容阵列20的阵列图。
图6A的横坐标为向柔性电容阵列20施加的压力(单位为kPa)，纵坐标为电容的变化值。图6A中黑色的点为测量值，灰色的线为拟合线。拟合线1可用于表征施加的压力在500kPa-1500kPa的情况下的电容变化值与压力的关系。拟合线2可用于表征施加的压力在2000kPa-4000kPa的情况下的电容变化值与压力的关系。如图6A所示，柔性电容阵列20在施加1000kPa的压力的情况下，电容的变化值大约为1000kPa*13.41kPa-1＝13.41*103。在施加3000kPa的压力的情况下，电容的变化值大约为3000kPa*5.54kPa-1＝16.62*103。由此可见，柔性电容阵列20的灵敏度显著高于传统的电容器阵列。
图6B的大图的横坐标为按压柔性电容阵列20中的一个单元电容的按压保持时间(按压保持时间的起始点为横坐标上的0.0秒)，纵坐标为该单元电容的电容值(起始点为纵坐标上的0点)。图6B的小图中示出测量该单元电容的方式。具体地，图6B的小图的每条曲线分别示出了在按压柔性电容阵列20中的一个单元电容0秒、0.2秒、0.5秒、1秒、1.5秒和2秒后松开按压力的情况下，该单元电容的电容值随时间变化的曲线。小图中每条曲线电容的最大值即为大图中的每个点对应的纵坐标值。如图6B所示，在按压柔性电容阵列20的时间为0.5秒时，柔性电容阵列20的电容变化值为750pF左右。而在按压柔性电容阵列20的时间为1.5秒时，柔性电容阵列20的电容变化值也在750pF左右。可见即使持续按压柔性电容阵列20，柔性电容阵列20的电容值的变动仍旧不大，相比于传统的柔性电容传感器而言，柔性电容阵列20的稳定度显著提高。
图6C的横坐标为按压柔性电容阵列的循环次数，纵坐标为每次循环中的最大电容值。图6C示出了按压1次到150次柔性电容阵列20的情况。如图6C所示，在反复按压柔性电容阵列20的情况下，柔性电容阵列20的电容值一直稳定，而不会突变。
图6D示出了对柔性电容阵列20中的某一个单元电容进行按压的情况，其坐标X和Y对应于单元电容的位置，竖直坐标为该单元电容的变化量。在按压位置处的单元电容的电容值显著高于未按压的位置的单元电容的电容值。可见使用柔性电容阵列20作为力学传感器，可以准确的检测出受力的位置。
图7A为本公开一些实施例提供的电容阵列检测系统70的等效电路图。图7B为本公开一些实施例提供的电容阵列检测系统70的架构图。图7C为本公开一些实施例提供的电容阵列检测系统70检测压力传感信息的流程图。图7D为本公开实施例提供的电容阵列检测系统70的串扰补偿电路的等效电路图。
电容阵列检测系统70包括激励电路71、柔性电容阵列20、电容检测电路72和电容选择电路73。
电容选择电路73，被配置为选通柔性电容阵列中20的一个或多个单元电容。可选地，电容选择电路73为开关电路，例如图7A中的电容选择电路可以等效为一个开关。
激励电路71，被配置为在所述电容选择电路的控制下向所述柔性电容阵列的第一电极阵列中的一个或多个电极引线和第二电极阵列中的一个或多个电极引线输出激励信号。在图7A中，激励电路71可以为交流电源或脉冲信号源。由于在检测电容的过程中，阴阳离子在电极之间的运动，因此电容值的大小与激励频率存在相关关系，当激励频率越高，电容器的电容值则越小，越稳定，但离子特性则越差。因此在不同的激励频率下单元电容的响应特性可能截然不同。可选地，激励电路71的频率为104Hz。
例如，对于图4C中所示的每个电极的单独引线的实施例而言，第一柔性电极层1012中电极A可以接入激励电路71的一端，第二柔性电极层1022中与电极A正对的电极B可以接入激励电路71的另一端。柔性电容阵列20中的电极A和电极B重叠的区域可以等效为图7A中的电容C。其余导线可以等效为一个电阻Rc。
电容检测电路72，被配置为从检测所述一个或多个单元电容的电容值。可选地，电容检测电路72可以是图7中的采样电阻Rsample。如图7A所示，激励电路71、柔性电容阵列20和电容检测电路72构成一个回路。当施加外力作用时，电容C的电容值发生变化。进而，采样电阻Rsample的两端的电压变化。采样电阻Rsample两端的电压可以对应于检测的单元电容的电容值，通过二者的对应关系，可以获得检测的单元电容的电容值。虽然以测量电阻Rsample两端的电压的方式来对应地测量单元电容的电容值，本领域技术人员应当理解还可以以其它的方式来测量单元电容的电容值，本公开对此不作限制。
接着电容检测电路72还可以将一个或多个单元电容的电容值输出到信号处理器(未示出)。信号处理器，被配置为处理将一个或多个单元电容的电容值转化为压力的大小和位置。信号处理器可以被实现为可以将电容值转换为模拟信号的模拟信号处理器，或者，电容检测电路72还可以被实现为可以将电容值转换为数字信号的数据信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)等，本公开的实施例对信号处理器的实现方式不作限制。
此外，对于图3C中描述的电极阵列，由于第一电极阵列中的电极在第一方向上串联连接而第二电极阵列中的电极在第二方向上串联连接，则电容选择电路73可以包括对电极阵列进行行列扫描的多路选择器，该多路选择器一端与激励电路71的一端连接。例如，第一电极阵列2012中每条串联电极的一端可以与多路选择器的一端相连，另一端悬空。第二电极阵列2022的每条串联电极的一端可以与激励电路71的另一端相连，另一端悬空。又例如，第一电极阵列2012中每条串联电极的两端都与多路选择器相连。第二电极阵列2022的每条串联电极的两端都与电容检测电路72相连。再例如，第一电极阵列2012中每条串联电极的两端分别与激励电路71的两端相连，第二电极阵列2022的每条串联电极的两端都与电容检测电路72相连。本公开不对图3C中描述的电极阵列进行行列扫描的方式进行限制。
可选地，电容选择电路73周期性地选通第一电极阵列2012中的一条串联电极。假设第一电极阵列2012中串联的电极A1’、A2’…Ak’形成的串联电极被选通在某个时刻被选通。在该时刻，第二电极阵列2022与该串联电极有重叠的区域的电极B1’、B2’…Bk’与电极A1’、A2’…Ak’所形成的电容导通。电极A1’和电极B1’重叠的区域可以等效为图7A中的电容C。电极A1’和电极B1’的导线可以等效为一个电阻Rc。此时，共有k个电容C导通。激励电路61、k个电容C中的任意一个电容和电容检测电路72构成都能构成一个回路，此时共有k个导通回路。如果此时触摸电极A1’和电极B1’的重叠区域，则电极A1’和电极B1’所构成的电容出现剧烈变化。进而，采样电阻Rsample的两端的电压变化。采样电阻Rsample两端的电压可以对应于电容C的电容值，基于该电压可以计算得到电容C的电容值。
由此，在智能机器人运动的过程中，在机器人与物体或人相触碰后产生冲击力，柔性电容阵列20能够通过其的电容变化来检测冲击力。根据电极阵列中产生响应的位置能够判断出机器人碰触物体的位置，并根据电容值的变化量大致的判断出冲击力的大小。通过分析电容值的变化，能够得到机器人与外界物体的接触情况，为机器人的下一步动作提供信息。根据本公开的实施例的电容阵列检测系统在机器人安全、人机交互等方面有巨大的应用价值。
值得注意的是，图7A仅示意性地示出电容阵列检测系统70的某一种示例，但是本公开的实施例电容阵列检测系统70的电路连接方式并不作限定，只要当柔性电容阵列20可以实现压力的检测即可。
参见图7B，电容选择电路73还可以包括MCU和接口电路。针对图3C、图4A和图4C对应的电容阵列，可以设计适合控制第一电极阵列2012中的电极的开关电路和控制第二电极阵列2022中的电极的开关电路，即通过可控开关分别实现对阵列中各单元电容上下电极的可控连接，其可控开关的控制引线均由MCU的GPIO控制，目的是实现对阵列中各单元电容的独立选通与关断，同一时刻通过可控开关选通某一单元电容接入后级电容检测电路72进行电容值测量。柔性电容阵列20中的全部单元电容均由MCU来控制开关。MCU依次接通单元电容，以扫描的方式实现对整个柔性电容阵列20所有单元电容的电容值检测。
电容检测电路72，提供包括但不限于以下电容检测方式：①利用现有的电容传感器芯片检测、②通过搭建硬件检测电路检测(例如上述的简单的采样电阻的方式，或者包括运放等器件的其它硬件检测电路)和③利用电容测量仪器(如LCR检测)等。本公开不对电容检测电路72检测电容值的方式进行限制。
可选地，为了提高本发明中柔性电容阵列20的稳定性，增强阵列各单元电容的抗串扰能力，在电容检测电路72还可以包括串扰补偿电路。该电路由可控开关及切换电路组成，开关同样由MCU控制。电容阵列扫描检测时，先送入串扰补偿电路中处理，再通过上述三种检测方法测量各单元电容值。之后电容检测模块将检测到的对应单元电容容值接入信号处理器，进行后续的信号处理、补偿和分析等工作。本发明提供的电容阵列检测系统在保证了本发明电容阵列在实现超宽测量范围的同时，使得各单元电容具备强稳定性和一致性。
串扰补偿电路的等效电路可以如图7D所示。可选地，串扰补偿电路可以被配置为在所述电容选择电路的控制下控制电容检测电路72检测所述一个或多个单元电容的至少一个串扰补偿值。如图7D所示，串扰补偿电路的端子Ca和Cb分别接入柔性电容阵列20的第一电极阵列的引线和第二电极阵列的引线。具体地，可以通过MCU控制端子Ca和Cb接入的引线来选通某个特定的待测电容。此外串扰补偿电路的端子Cc接入电容检测电路72，以用于电容值/串扰补偿值的检测。当MCU选通某个待测电容时，该待测电容和柔性电容阵列20中对该待测电容产生影响的其他电容可以等效为图7D中的待测电容、串扰电容1和串扰电容2组成的等效电路。MCU可以控制串扰补偿电路的四个的开关，以依次测出待测电容、串扰电容1和串扰电容2在多种串并联的情况下的多组值。然后接着，通过电容计算电路(未示出)，可以通过计算出串扰电容1和串扰电容2在各种串并联情况下的电容值(也即串扰补偿值)来计算出待测电容的准确的电容值。例如，电容计算电路可以被配置为根据所述至少一个串扰补偿值更新所述一个或多个单元电容的电容值。
参见图7C，电容阵列检测系统70检测电容值的流程如下。
首先，可以将柔性电容阵列20设置在压力传感检测面上，并且所述柔性电容阵列20中的每个单元电容对应于所述压力传感检测面的一个压力传感检测位置。例如，对于智能机器人，压力传感检测面可以是机器人臂的至少一部分。压力传感检测面上可以贴附上述的柔性电容阵列20，该柔性电容阵列20可以与上述的电容阵列检测系统70中的其它部件连接，进而检测在机器人运动的过程中，在机器人与物体或人相触碰后产生触碰压力。对于可穿戴设备而言，压力传感检测面可以是可穿戴设备的外表面。在该设备被穿戴上后，可以通过柔性电容阵列20采集并分析触摸数据。
然后，电容选择电路73被配置为依次选通柔性电容阵列20中的每个单元电容。可选地，电容选择电路73可以初始化MCU的各项参数，使得其可以依次选通柔性电容阵列20中的每个单元电容。电容选择电路73在选通单元电容之前还可以检测其各个控制接口和通信接口是否正常。在各个接口正常的情况下，电容选择电路73可以开始选通柔性电容阵列20中的单元电容。如果出现接口不正常的情况，可以重新初始化MCU的各项参数。
这里以选通柔性电容阵列20中单元电容Cij为例进行说明，Cij表示柔性电容阵列20中第i行第j列单元电容。在程序运行后，MCU控制电容阵列上下电极的可控开关选通Cij，再控制电容检测模块中串扰补偿电路的可控开关切换多组电路连接状态下的Cij，从而求解出所述单元电容的至少一个串扰补偿值。电容计算电路根据所述至少一个串扰补偿值更新所述单元电容的电容值，从而计算补偿解耦后的Cij真实容值(去掉串扰影响后的电容值)。之后MCU经过扫描的方式，先列后行，依次读取电容阵列所有电容容值用于后续操作。电容检测电路70还被配置为依次输出每个单元电容的电容值作为所述压力传感检测位置的压力传感信息，以用作机器人的后续处理。
图8为本公开一些实施例提供的机器人80的示意图。
机器人80包括上述的电容阵列检测系统70，其中，所述的电容阵列检测系统中的柔性电容阵列设置在机器人的至少一部分的压力传感检测面上。
机器人80还包括冲击力检测器、冲击扰动确定器和抗冲击扰动控制器。可选地，冲击力检测器被配置为根据所述的电容阵列检测系统70所检测的一个或多个单元电容的电容值计算冲击力检测值及冲击力发生位置。可选地，电容阵列检测系统70可以周期性地检测柔性电容阵列中的各个单元电容的电容值，并将电容值输入至冲击检测器。
冲击扰动确定器被配置为基于冲击力检测器的冲击力检测值及冲击力发生位置确定冲击扰动是否发生。可选地，冲击力检测器可以通过冲击力检测值及冲击力发生位置来计算为机器人此刻的ZMP(零力矩点)稳定裕度，将其作为机器人是否受到外界扰动的判据，实现扰动大小、方向及作用时间的定量快速检测，并为后续控制步骤提供触发条件和计算基础。
抗冲击扰动控制器被配置为响应于所确定的冲击扰动，调整所述机器人的操作参数，以控制机器人抗击冲击扰动。机器人的操作参数包括控制机器人的迈步和落脚点的参数。若冲击扰动确定器确定扰动发生，则抗冲击扰动控制器基于冲击力检测值及冲击力发生位置对机器人的落脚点进行调整，通过迈步保持机器人全身稳定；同时抗冲击扰动控制器还基于冲击力检测值及冲击力发生位置进行落脚减震控制，实现足底柔顺着地，减小落脚冲击。
可选地，在机器人为足式机器人的情况下，可以将柔性电容阵列20铺设在足式机器人的足部底面的压力传感检测面上。可选地，对于图1中的足式机器人10的每条腿可以设置至少4个柔性电容阵列20，四条腿可能需要总16个柔性电容阵列20。由于可以对足式机器人10的四条腿都可以获取压力反馈信息，因此可以对四足的压力反馈进行综合分析，从而对智能足式机器人的重心倾向进行快速反应从而提供运动稳定性判据。
可选地，抗冲击扰动控制器调整所述机器人的操作参数还包括：调整所述足式机器人的落脚点或落脚角度。抗冲击扰动控制器还包括：规划轨迹生成器、调整轨迹生成器和足关节角度生成器。其中，规划轨迹生成器，被配置为规划所述足式机器人的质心轨迹和落脚点轨迹。规划轨迹生成器可以通过ZMP稳定裕度来规划足式机器人的行进轨迹，使得机器人始终保持平衡稳定。规划轨迹生成器还可以规划足式机器人的落脚点(或踝关节)的运动轨迹。在冲击扰动确定器确定了冲击扰动发生的情况下，调整轨迹生成器可以进一步根据该冲击扰动来调整足式机器人的行进状态。例如，调整轨迹生成器可以被配置为基于所述足式机器人的质心轨迹和所述冲击力检测值，调整所述足式机器人的质心轨迹；以及基于所述足式机器人的落脚点轨迹，调整所述足式机器人的落脚点轨迹。可选地，调整轨迹生成器再对原规划轨迹进行调整后，可以利用其内置的线性二次型调节器(SLQP)来控制生成质心轨迹。最后，机器人80可以利用足关节角度生成器来控制足式机器人的行进平衡。可选地，足关节角度生成器可以被配置为基于调整后的质心轨迹和落脚点轨迹，调整所述足式机器人的足关节角度来调整所述足式机器人的落脚点或落脚角度。足关节角度生成器可以通过逆运动学求解出关节角度时间序列，同时落脚减震控制对计算出的关节角度进行在线补偿，最终实现足式机器人在受到外界扰动时仍能维持稳定行走。
本公开的实施例可以为足式机器人(比如机器狗)的运动，提供快速精确的定量化足底压力分布及大小的反馈，而简化了传统的利用刚性力传感器(例如多轴力传感器)计算力矩的复杂过程。
本公开的一个或多个实施例公开了一种柔性电容阵列及其制备方法、电容阵列检测系统和机器人，使得柔性电容阵列整体呈现出柔性并大幅提高压力传感系统的灵敏度、稳定性和承受高压强的能力。
接下来，有以下几点需要说明：
(1)本公开实施例附图只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。
(2)为了清晰起见，在用于描述本公开的实施例的附图中，层或区域的厚度被放大或缩小，即这些附图并非按照实际的比例绘制。可以理解，当诸如层、膜、区域或基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”或者可以存在中间元件。
(3)在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
以上所述仅是本公开的示范性实施方式，而非用于限制本公开的保护范围，本公开的保护范围由所附的权利要求确定。

Claims (15)

1.一种柔性电容阵列，包括：
第一柔性电极层，所述第一柔性电极层上设置有第一电极阵列，其中所述第一电极阵列中的多个第一电极排列成包括M行和N列的矩阵，其中M、N为正整数；
第二柔性电极层，所述第二柔性电极层上设置有第二电极阵列，其中所述第二电极阵列中的多个第二电极排列成包括M行和N列的矩阵，并且第二电极阵列中的第i行第j列的第二电极与第一电极阵列中的第i行第j列的第一电极相对设置以形成电极对，i大于等于零且小于M，j大于等于零且小于N；
介电层，所述介电层设置于第一柔性电极层和第二柔性电极层之间；
第一间隔层，所述第一间隔层设置于第一电极阵列和所述介电层之间，
其中，所述第一电极阵列与第二电极阵列中相对设置的每个电极对、和介于所述电极对之间的所述第一间隔层和所述介电层的部分构成所述柔性电容阵列的单元电容，每个单元电容包括第一双电层电容，所述第一双电层电容由第一电极、第一间隔层和介电层构成；
其中，在按压状态下，所述单元电容中的介电层穿过第一间隔层与第一电极接触以形成至少一个第一接触面，所述至少一个第一接触面中的每个接触面处形成第一微型双电层电容，且所述至少一个第一接触面处的至少一个第一微型双电层电容并联以形成第一双电层电容。
2.如权利要求1所述的柔性电容阵列，其中，所述单元电容还包括与所述第一双电层电容串联的第二双电层电容，所述第二双电层电容由第二电极和介电层构成，其中，所述第二电极和介电层接触以形成第二双电层电容，所述第二双电层电容与所述第一双电层电容串联。
3.如权利要求1所述的柔性电容阵列，还包括第二间隔层，所述第二间隔层设置于第二电极阵列和所述介电层之间，其中，
所述单元电容还包括与所述第一双电层电容串联的第二双电层电容，所述第二双电层电容由第二电极、第二间隔层、介电层构成，
其中，在按压状态下，所述单元电容中的介电层穿过第二间隔层与第二电极接触以形成至少一个第二接触面，所述至少一个第二接触面中的每个接触面处形成第二微型双电层电容，且所述至少一个第二接触面处的至少一个第二微型双电层电容并联以形成第二双电层电容。
4.如权利要求1所述的柔性电容阵列，其中，所述间隔层包括使所述介电层与所述电极对中的至少一个电极间隔的空腔。
5.如权利要求4所述的柔性电容阵列，其中，所述空腔包括：
由聚二甲基硅氧烷(PDMS)支撑柱构成的空腔；
由高分子薄膜的框型支架构成的空腔；或
由网孔状的高分子薄膜构成的空腔。
6.如权利要求1所述的柔性电容阵列，其中，
第一电极阵列中同一行的多个第一电极在行方向上电性连接以形成在行方向上平行的M个电极串；
第二电极阵列中同一列的多个第二电极在列方向上电性连接以形成在列方向上平行的N个电极串。
7.如权利要求1所述的柔性电容阵列，其中，
第一电极阵列中的多个第一电极相互电性连接且共同电性连接至一条共同的引线，并且第二电极阵列中的每个第二电极具有单独的引线。
8.如权利要求1所述的柔性电容阵列，其中，第一电极阵列中的每个第一电极具有单独的引线，以及第二电极阵列中的每个第二电极具有单独的引线。
9.一种柔性电容阵列的制备方法，包括：
设置第一柔性电极层，所述第一柔性电极层上设置有第一电极阵列，其中所述第一电极阵列中的多个第一电极排列成包括M行和N列的矩阵，其中M、N为正整数；
设置第一间隔层，将所述第一间隔层置于所述第一柔性电极层之上；
设置介电层，将所述介电层置于所述第一间隔层之上；
设置第二柔性电极层，所述第二柔性电极层上设置有第二电极阵列，其中所述第二电极阵列中的多个第二电极排列成包括M行和N列的矩阵；
将第二柔性电极层置于在所述介电层之上，以使得第二电极阵列中的第i行第j列的第二电极与第一电极阵列中的第i行第j列的第一电极相对设置以形成电极对，其中，i大于等于零且小于M，j大于等于零且小于N；
将所述第一柔性电极层、所述介电层、所述间隔层和所述第二柔性电极层封装成所述柔性电容阵列，
其中，所述第一电极阵列与第二电极阵列中相对设置的每个电极对、和介于所述电极对之间的所述第一间隔层和所述介电层的部分构成所述柔性电容阵列的单元电容，每个单元电容包括第一双电层电容，所述第一双电层电容由第一电极、第一间隔层和介电层构成；
其中，在按压状态下，所述单元电容中的介电层穿过第一间隔层与第一电极接触以形成至少一个第一接触面，所述至少一个第一接触面中的每个接触面处形成第一微型双电层电容，且所述至少一个第一接触面处的至少一个第一微型双电层电容并联以形成第一双电层电容。
10.如权利要求8所述的柔性电容阵列的制备方法，其中，所述制备介电层包括：
将聚乙烯醇溶解于水中以形成凝胶状溶液；
向所述凝胶状溶液加入磷酸以形成混合溶液；
将所述混合溶液置于微结构模板上；
将所述混合溶液固化后获得所述介电层。
11.一种电容阵列检测系统，包括：
如权利要求1-7中任一项所述的柔性电容阵列；
电容选择电路，被配置为选通所述柔性电容阵列中的一个或多个单元电容；
激励电路，被配置为在所述电容选择电路的控制下向所述柔性电容阵列的第一电极阵列中的一个或多个电极引线和第二电极阵列中的一个或多个电极引线输出激励信号；
电容检测电路，被配置为检测所述一个或多个单元电容的电容值。
12.如权利要求11所述的电容阵列检测系统，其中，所述电容检测电路还包括：
串扰补偿电路，被配置为在所述电容选择电路的控制下控制所述电容检测电路检测所述一个或多个单元电容的至少一个串扰补偿值；
电容计算电路，被配置为根据所述至少一个串扰补偿值更新所述一个或多个单元电容的电容值。
13.如权利要求12所述的电容阵列检测系统，其中，
所述柔性电容阵列设置在压力传感检测面上，并且所述柔性电容阵列中的每个单元电容对应于所述压力传感检测面的一个压力传感检测位置；
所述电容选择电路，被配置为依次选通所述柔性电容阵列中的每个单元电容；
所述电容检测电路被配置为：对于每个单元电容，
检测所述单元电容的电容值，并利用所述串扰补偿电路来控制所述电容检测电路检测所述单元电容的至少一个串扰补偿值；
利用所述电容计算电路，根据所述至少一个串扰补偿值更新所述单元电容的电容值；
依次输出每个单元电容的电容值作为所述压力传感检测位置的压力传感信息。
14.一种机器人，包括：
如权利要求11至13中的任一项所述的电容阵列检测系统，其中，所述的电容阵列检测系统中的柔性电容阵列设置在机器人的至少一部分的压力传感检测面上；
冲击力检测器，被配置为根据所述的电容阵列检测系统所检测的一个或多个单元电容的电容值计算冲击力检测值及冲击力发生位置；
冲击扰动确定器，被配置为基于冲击力检测器的冲击力检测值及冲击力发生位置确定冲击扰动是否发生；
抗冲击扰动控制器，被配置为响应于所确定的冲击扰动，调整所述机器人的操作参数，以控制机器人抗击冲击扰动。
15.如权利要求14所述机器人，其中，
所述机器人为足式机器人，所述柔性电容阵列铺设在所述足式机器人的足部底面的压力传感检测面上；
所述调整所述机器人的操作参数包括：调整所述足式机器人的落脚点或落脚角度；
所述抗冲击扰动控制器还包括：规划轨迹生成器、调整轨迹生成器和足关节角度生成器，其中，
所述规划轨迹生成器，被配置为规划所述足式机器人的质心轨迹和落脚点轨迹；
所述调整轨迹生成器，被配置为基于所述足式机器人的质心轨迹和所述冲击力检测值，调整所述足式机器人的质心轨迹；以及基于所述足式机器人的落脚点轨迹，调整所述足式机器人的落脚点轨迹；
所述足关节角度生成器，被配置为基于调整后的质心轨迹和落脚点轨迹，调整所述足式机器人的足关节角度来调整所述足式机器人的落脚点或落脚角度。
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