實(shí)驗(yàn)名稱：力反饋手部可穿戴設(shè)備的安全性研究

研究方向：針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中力反饋設(shè)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(shè)備，其內(nèi)部柔性電極使得該設(shè)備具有輕薄、便攜的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)剛性力和彈性力兩種反饋效果。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模捍罱ㄒ惶赘叻直媛孰妵娪∪S工作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，首先在載玻片上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論與數(shù)值模擬的正確性，然后在PET膜上實(shí)驗(yàn)研究不同工藝參數(shù)（電壓、氣壓、噴印速度）對(duì)噴印納米銀導(dǎo)電墨水成型性能的影響規(guī)律。

測試設(shè)備：數(shù)據(jù)采集卡、高壓放大器、距離傳感器、力傳感器、材料試驗(yàn)機(jī)等。

圖：控制方法示意圖

實(shí)驗(yàn)過程：

該設(shè)備的安全性主要指的是其用電安全，設(shè)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(hào)。靜電吸附制動(dòng)器在工作過程中相當(dāng)于一個(gè)電容器，靜電吸附制動(dòng)器的工作面積保持不變，所以整個(gè)工作過程電流都為0。并且在使用該設(shè)備時(shí)人手佩戴薄絕緣手套，對(duì)手部進(jìn)行二次保護(hù)。在充放電瞬間，電容器充電和放電導(dǎo)致電路產(chǎn)生電流，本文測試了靜電吸附制動(dòng)器在開啟電壓和關(guān)閉電壓瞬間的電流電壓與時(shí)間的變化關(guān)系，開啟電壓瞬間的電壓、電流和時(shí)間的關(guān)系如圖2所示，關(guān)閉電壓瞬間的電壓、電流和時(shí)間的關(guān)系如圖3所示。由測試結(jié)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(huì)使人產(chǎn)生疼痛感，但不會(huì)對(duì)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(nèi)。假設(shè)靜電吸附制動(dòng)器被擊穿，絕緣手套被破壞，本文的電源設(shè)備具有短路保護(hù)功能，會(huì)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(hù)作用以及電源的短路保護(hù)這三重保護(hù)也就保證了該設(shè)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(dòng)器在外加電壓開啟瞬間相當(dāng)于一個(gè)平行板電容器，在開啟電壓時(shí)，電容器處于充電過程，充電時(shí)間約為1.2ms，而本文測得靜電吸附制動(dòng)器的響應(yīng)時(shí)間約為40ms，電容器充電時(shí)間與靜電吸附制動(dòng)器吸附響應(yīng)時(shí)間差距較大這是由于靜電吸附制動(dòng)器開啟瞬間需要排除內(nèi)部空氣達(dá)到完全吸附狀態(tài)，這就導(dǎo)致了在開啟電壓瞬間，靜電吸附需要短暫的響應(yīng)時(shí)間。

圖3：關(guān)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(shí)的響應(yīng)時(shí)間為1.5ms，而靜電吸附制動(dòng)器釋放的響應(yīng)時(shí)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(dǎo)致靜電吸附制動(dòng)器釋放也需要一定的響應(yīng)時(shí)間，但是開啟和釋放這二者的響應(yīng)時(shí)間均為40ms，是不影響靜電吸附模擬的反饋力效果的真實(shí)性的。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

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

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審核編輯 黃宇