實驗名稱：力反饋手部可穿戴設備的安全性研究

研究方向：針對虛擬現實技術中力反饋設備的需求，提出一種基于靜電吸附的觸覺力反饋手部可穿戴設備，其內部柔性電極使得該設備具有輕薄、便攜的優點，可以實現剛性力和彈性力兩種反饋效果。

實驗目的：搭建一套高分辨率電噴印三維工作實驗平臺，首先在載玻片上進行實驗驗證理論與數值模擬的正確性，然后在PET膜上實驗研究不同工藝參數（電壓、氣壓、噴印速度）對噴印納米銀導電墨水成型性能的影響規律。

測試設備：數據采集卡、高壓放大器、距離傳感器、力傳感器、材料試驗機等。

圖：控制方法示意圖

實驗過程：

該設備的安全性主要指的是其用電安全，設備所使用電源為ATA-7015高壓放大器，由采集卡的輸出端向其輸入信號。靜電吸附制動器在工作過程中相當于一個電容器，靜電吸附制動器的工作面積保持不變，所以整個工作過程電流都為0。并且在使用該設備時人手佩戴薄絕緣手套，對手部進行二次保護。在充放電瞬間，電容器充電和放電導致電路產生電流，本文測試了靜電吸附制動器在開啟電壓和關閉電壓瞬間的電流電壓與時間的變化關系，開啟電壓瞬間的電壓、電流和時間的關系如圖2所示，關閉電壓瞬間的電壓、電流和時間的關系如圖3所示。由測試結果可以看出300V電壓下的充電電流為5mA，放電電流為6mA。有研究表明，6mA以下的電流會使人產生疼痛感，但不會對人體造成傷害。即使絕緣手套破裂所以該電流在人體能承受的安全范圍內。假設靜電吸附制動器被擊穿，絕緣手套被破壞，本文的電源設備具有短路保護功能，會立即將電壓降為0。綜上所述，電容器本身工作電流為0，絕緣手套的保護作用以及電源的短路保護這三重保護也就保證了該設備的安全性。

圖2：開啟電壓瞬間電壓電流變化

從圖2可以看出，靜電吸附制動器在外加電壓開啟瞬間相當于一個平行板電容器，在開啟電壓時，電容器處于充電過程，充電時間約為1.2ms，而本文測得靜電吸附制動器的響應時間約為40ms，電容器充電時間與靜電吸附制動器吸附響應時間差距較大這是由于靜電吸附制動器開啟瞬間需要排除內部空氣達到完全吸附狀態，這就導致了在開啟電壓瞬間，靜電吸附需要短暫的響應時間。

圖3：關閉電壓瞬間電壓電流變化

從圖3中可知，靜電吸附形成的電容器在放電時的響應時間為1.5ms，而靜電吸附制動器釋放的響應時間約為40ms，這是由于電壓去掉之后，靜電吸附薄膜電極之間存在范德華力和參與電荷的影響，導致靜電吸附制動器釋放也需要一定的響應時間，但是開啟和釋放這二者的響應時間均為40ms，是不影響靜電吸附模擬的反饋力效果的真實性的。

實驗結果：

該力反饋可穿戴設備從靜電吸附制動器的工作原理論證了其安全性，并且該設備通過絕緣手套以及電源的短路保護進行了多方面保護以保證使用者的安全。

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審核編輯 黃宇