Aigtek高压放大器在静电吸附的触觉力反馈研究中的应用

实验名称：力反馈手部可穿戴设备的安全性研究

研究方向：针对虚拟现实技术中力反馈设备的需求，提出一种基于静电吸附的触觉力反馈手部可穿戴设备，其内部柔性电极使得该设备具有轻薄、便携的优点，可以实现刚性力和弹性力两种反馈效果。

实验目的：搭建一套高分辨率电喷印三维工作实验平台，首先在载玻片上进行实验验证理论与数值模拟的正确性，然后在PET膜上实验研究不同工艺参数（电压、气压、喷印速度）对喷印纳米银导电墨水成型性能的影响规律。

测试设备：数据采集卡、高压放大器、距离传感器、力传感器、材料试验机等。

图：控制方法示意图

实验过程：

该设备的安全性主要指的是其用电安全，设备所使用电源为ATA-7015高压放大器，由采集卡的输出端向其输入信号。静电吸附制动器在工作过程中相当于一个电容器，静电吸附制动器的工作面积保持不变，所以整个工作过程电流都为0。并且在使用该设备时人手佩戴薄绝缘手套，对手部进行二次保护。在充放电瞬间，电容器充电和放电导致电路产生电流，本文测试了静电吸附制动器在开启电压和关闭电压瞬间的电流电压与时间的变化关系，开启电压瞬间的电压、电流和时间的关系如图2所示，关闭电压瞬间的电压、电流和时间的关系如图3所示。由测试结果可以看出300V电压下的充电电流为5mA，放电电流为6mA。有研究表明，6mA以下的电流会使人产生疼痛感，但不会对人体造成伤害。即使绝缘手套破裂所以该电流在人体能承受的安全范围内。假设静电吸附制动器被击穿，绝缘手套被破坏，本文的电源设备具有短路保护功能，会立即将电压降为0。综上所述，电容器本身工作电流为0，绝缘手套的保护作用以及电源的短路保护这三重保护也就保证了该设备的安全性。

图2：开启电压瞬间电压电流变化

从图2可以看出，静电吸附制动器在外加电压开启瞬间相当于一个平行板电容器，在开启电压时，电容器处于充电过程，充电时间约为1.2ms，而本文测得静电吸附制动器的响应时间约为40ms，电容器充电时间与静电吸附制动器吸附响应时间差距较大这是由于静电吸附制动器开启瞬间需要排除内部空气达到完全吸附状态，这就导致了在开启电压瞬间，静电吸附需要短暂的响应时间。

图3：关闭电压瞬间电压电流变化

从图3中可知，静电吸附形成的电容器在放电时的响应时间为1.5ms，而静电吸附制动器释放的响应时间约为40ms，这是由于电压去掉之后，静电吸附薄膜电极之间存在范德华力和参与电荷的影响，导致静电吸附制动器释放也需要一定的响应时间，但是开启和释放这二者的响应时间均为40ms，是不影响静电吸附模拟的反馈力效果的真实性的。

实验结果：

该力反馈可穿戴设备从静电吸附制动器的工作原理论证了其安全性，并且该设备通过绝缘手套以及电源的短路保护进行了多方面保护以保证使用者的安全。

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审核编辑 黄宇