CN100359446C - 可弯曲式压力感应手写笔 - Google Patents

Abstract

本发明的手写笔是经由一信号传输线连接于一主系统，如电脑，并且搭配一手写板来使用。手写笔包含一笔杆；一笔头，连接于笔杆的一端，其是以软性材质所制成；一齿轮，安装于笔头之内，其中当笔头产生形变时，齿轮会根据形变程度，产生相对应的转动；一转动速度检测器，安装于笔头内，用来检测齿轮的转动，并且根据齿轮的直径与齿轮的齿长度，计算出一转动速度数据以及一转动方向数据；以及一压力值产生器，连接于转动速度检测器，用来接收转动速度数据与转动方向数据，并且根据转动速度数据与转动方向数据，产生一压力值。其中压力值会连同手写笔在手写板上的位置坐标，经由信号传输线传送至主系统。

Description

可弯曲式压力感应手写笔

(1)技术领域

本发明有关一种手写笔，尤其是关于一种可弯曲式的压力感应手写笔，其可以根据手写笔的软性笔头的形变程度，来计算出使用者的书写力，以模拟出不同风格的笔触模式。

(2)背景技术

近几年来，手写装置已经成为愈来愈普遍的输入装置。一般而言，手写装置是包含一个手写板以及一支手写笔，使用者可以利用手写笔在手写板上书写，以取代利用键盘输入数据的方式。常见的手写装置包含Tablet PC，其具有一平板手写液晶屏幕以及一电磁感应式触控笔(有线/无线)，以及WACOM数字版、绘图版，其包含感应式绘图板(数字版)以及(有线/无线)感应笔。除此之外，使用者必须安装识别软件，例如Photoshop等绘图软件，于电脑中，以用来识别使用者利用手写装置所输入的文字。

识别软件必须识别出手写笔在手写板上的位置，即坐标位置(X，Y)以及使用者书写的力，即压力值Z，才可以模拟出不同风格的笔触。然而，由于所获得的数据有限，因此，目前的绘图软件，例如Photoshop、CorelDraw、Painter等，只能模拟钢笔、炭笔、粉笔的笔触，而无法模拟毛笔、水彩笔、油画笔等软性笔的笔触，而造成其模拟功能的局限。在习知技术中，有发展出笔触模拟软件来模拟软性笔的笔触，以弥补数据的不足，但是软件模拟必须耗费较多的计算资源，因此现阶段而言较难实现。

(3)发明内容

因此，本发明的主要目的在于提供一种可弯曲式的压力感应手写笔，其可以根据手写笔的软性笔头的形变程度，来计算出使用者的书写力，以模拟出毛笔、水彩笔、油画笔等软性笔的笔触，使得绘图软件的模拟功能更趋完备，又不需耗费太多的计算资源。

本发明的手写笔是经由一信号传输线连接于一主系统，如电脑，并且搭配一手写板来使用。手写笔包含一笔杆；一笔头，连接于笔杆的一端，其是以软性材质所制成；一齿轮，安装于笔头之内，其中当笔头产生形变时，齿轮会根据形变程度，产生相对应的转动；一转动速度检测器，安装于笔头内，用来检测齿轮的转动，并且根据齿轮的直径与齿轮的齿长度，计算出一转动速度数据以及一转动方向数据；以及一压力值产生器，连接于转动速度检测器，用来接收转动速度数据与转动方向数据，并且根据转动速度数据与转动方向数据，产生一压力值。其中压力值会连同手写笔在手写板上的位置坐标，经由信号传输线传送至主系统。

本发明的一种手写笔模拟输入方法，是藉由一主系统、及一经由一信号传输线连接于该主系统的手写笔所实施的方法，前述手写笔包含有一笔杆、连接于该笔杆的一端而以软性材质所制成的一笔头、安装于该笔头之内的一齿轮、一安装于该笔头内用来检测该齿轮转动的转动速度检测器、和一连接于该转动速度检测器用来接收该转动速度数据与该转动方向数据的压力值产生器；该方法包含有：当前述笔头受力产生形变时，前述齿轮会根据该形变程度，产生相对应的转动，而前述笔头受力形变处即为一压力点，对应有一坐标位置；侦知前述齿轮的转动，并且根据前述齿轮的直径与前述齿轮的齿长度，计算出一转动速度数据以及一转动方向数据；接收前述转动速度数据与前述转动方向数据，并且根据该数据，产生一压力值；前述转动速度的压力值经由该信号传输线传送至该主系统；转换上述转动速度的压力值成为一半径值，连同前述压力点的坐标位置输出至前述主系统。

在所述的手写笔模拟输入方法中，还包含：侦知该齿轮的转动位置，当感测到该齿轮的齿时，输出一位置信号；侦知该齿轮的转动方向，以产生一方向信号；以及接收该位置信号与该方向信号，其中前述主系统是利用该齿轮的周长除以该齿轮的齿数，以计算出每两个齿间的齿间距离，并且利用该齿间距离除以每两个该位置信号之间隔时间，以计算出该齿轮的切线转动速率，并且根据该方向信号，决定该切线转动速率的方向；当该齿轮的转动方向为顺时针时，该方向信号为1，而当该齿轮的转动方向为逆时针时，该方向信号为-1，因此该切线转动速度的计算公式表示为：切线转动速度＝±1×该齿轮的周长/该齿轮的齿数×1/间隔时间；接收前述转动速度数据与该转动方向数据，并且根据该数据产生该齿轮的一切线转动速度；接收该切线转动速度，并且根据该切线转动速度，产生一切线转动速度的压力值；转换上述切线转动速度的压力值成为一向量值，连同前述压力点的坐标位置输出至前述主系统。

(4)附图说明

图1为本发明的手写笔的示意图。

图2为手写笔的系统架构图。

图3为手写笔的笔头发生形变的示意图。

图4为手写笔的齿轮与转动速度检测器的示意图。

图5为手写笔的电路方块图。

图6为笔头的弯曲角度的示意图。

图7是显示笔头的弯曲角度与手写笔所受的压力值之间的变化关系的角度-压力变化表。

图8为本发明的手写笔的另一实施例的示意图。

(5)具体实施方式

请参考图1。图1为本发明的手写笔10的示意图。手写笔10是经由一信号传输线12连接于一主系统(未显示)，例如一电脑，而手写笔10是搭配一手写板14来使用。如图所示，手写笔10包含一笔杆16；以及一笔头18，连接于笔杆16的一端。其中，笔头18是以软性材质所制成，例如，橡胶、塑胶，其特点是受到压力时会产生形变，而在压力释放的后，则会回复原本的状态。如图1所示，笔头18的形状是模仿毛笔的几何形状，以模拟毛笔的笔触。

请参考图2。图2为手写笔10的系统架构图。手写笔10另包含一齿轮20；一转动速度检测器22；一笔尖24；以及一中心杆26。中心杆26包含一第一杆28，自笔杆16延伸至笔头18；一第二杆30，位于笔头18内；以及一弹簧32，用来将第一杆28连接于第二杆30。弹簧32可为一扭力弹簧或一拉簧，使得手写笔10会因受力而弯曲，而在力消失时，手写笔10则会恢复原本笔直的状态。

如图2所示，笔尖24是连接于第二杆30的一端，以延伸突出于笔头18，而齿轮20是安装于中心杆26的侧边，且位于第一杆28以及第二杆30之间。转动速度检测器22则是安装于第一杆28的侧边，且位于齿轮20的上端。转动速度检测器22是用来检测齿轮20转动时的磁力变化，并且根据齿轮20的直径与齿的长度来计算转动瞬间的速度。转动速度检测器22可以采用Philips公司所制造的KMI22/1装置，其不但可以检测齿轮20的转动速度，还能计算其转动方向。

请参考图3。图3为手写笔10的笔头18发生形变的示意图。由于手写笔10的笔头18是利用软性材质所制成，因此会因为使用者书写力的不同而发生不同程度的形变。如图所示，当笔头18产生形变时，弹簧32会因为受力而弯曲。由于弹簧32是连接第一杆28与第二杆30，因此当弹簧32因受力不同而产生不同程度的弯曲时，第一杆28与第二杆30之间的夹角也会发生不同的变化。此外，因为齿轮20是位于第一杆28以及第二杆30之间，第一杆28与第二杆30之间的夹角变化，会导致齿轮20发生不同程度的转动，包含速度上的不同与方向上的不同。换句话说，当笔头18产生形变时，齿轮20会根据其形变程度，产生相对应的转动。

请参考图4。图4为手写笔10的齿轮20与转动速度检测器22的示意图。转动速度检测器22是位于齿轮20的上方。齿轮20具有多个齿52。当齿轮20发生转动时，位于其上方的转动速度检测器22会检测齿轮20的转动，并且根据齿轮20的直径与齿轮20的齿长度，计算出一转动速度数据以及一转动方向数据。

请参考图5。图5为手写笔10的电路方块图。手写笔10另包含一位置传感器34，安装于笔尖24内，用来感测笔尖24在手写板14上的位置坐标，即(X，Y)；以及一压力值产生器36，连接于转动速度检测器22，用来接收齿轮20的转动速度数据与转动方向数据，并且根据转动速度数据与转动方向数据，产生一压力值Z。其中位置坐标(X，Y)是连同压力值Z，经由信号传输线12传送至主系统。

如图5所示，压力值产生器36包含一信号处理器38，用来接收齿轮20的转动速度数据与转动方向数据，并且根据转动速度数据与转动方向数据产生齿轮20的一切线转动速度；以及一压力信号转换器46，连接于信号处理器38，用来接收切线转动速度，并且根据切线转动速度，产生压力值Z。

信号处理器38包含一位置传感器40，一方向传感器42，以及一切线转动速度产生器44。位置传感器40是用来感测齿轮20的转动位置。当位置传感器40感测到齿轮20的齿52时，其会输出一位置信号。方向传感器42是用来感测齿轮20的转动方向，以产生一方向信号。当齿轮20的转动方向为顺时针时，方向信号为1，而当20齿轮的转动方向为逆时针时，方向信号则为-1。

切线转动速度产生器44是连接于位置与方向传感器40、42，用来接收位置信号与方向信号。切线转动速度产生器44会利用齿轮20的周长除以齿轮20的齿数，以计算出每两个齿52间的齿间距离，并且利用齿间距离除以每两个位置信号的间隔时间，以计算出齿轮20的切线转动速率，并且根据方向信号，决定切线转动速率的方向，以取得一切线转动速度。

因此，切线转动速度的计算公式是表示为：

切线转动速度＝±1×该齿轮的周长/该齿轮的齿数×1/间隔时间。

如图5所示，压力信号转换器46包含一角度计算器48以及一角度-压力转换器50。角度计算器48是用来接收切线转动速度产生器44所产生的切线转动速度，并且根据切线转动速度计算出笔头18的弯曲角度θ₂，而角度-压力转换器50是连接于角度计算器48，用来接收弯曲角度θ₂，并且根据弯曲角度θ₂产生压力值Z。

请参考图6。图6为笔头18的弯曲角度的示意图。如上所述，当笔头18产生弯曲形变时，第一杆28与第二杆30之间的夹角也会发生变化。在本实施例中，是将笔头18的弯曲角度定义为图6所示的角度θ。

为了计算出笔头18在时间t+Δt时的弯曲角度θ₂，角度计算器48必须包含下列已知参数。其中，r表示笔头18的长度；θ₁表示在时间t时笔头18的弯曲角度；₁表示齿轮20在时间t时的转动角加速度；

表示齿轮20在时间t的转动角速度；以及Δt表示一个单位时间。

角度计算器所接收到的切线转动速度是表示为v₂，其表示齿轮20在时间t+Δt时的切线转动速度。因此，齿轮20在时间t+Δt时的转动角速度

是表示为：

因此，齿轮20在时间t+Δt时的转动角加速度₂是表示为：

因此，弯曲角度θ₂的计算公式是表示为：

请参考图7。图7是显示笔头18的弯曲角度θ与手写笔10所受的压力值Z之间的变化关系的角度-压力变化表。此角度-压力变化表是预先设定的，并且存在于角度-压力转换器50之中。角度-压力转换器50会利用此预设的角度-压力变化表，产生一压力值计算公式，并且将笔头18在时间t+Δt时的弯曲角度θ₂代入此压力值计算公式中，以产生压力值Z。其计算公式为：

$Z=\left\{\begin{array}{cc}{K}_1*\mathrm{\θ}& ,\mathrm{if}0\≤\mathrm{\θ}\≤{\mathrm{\θ}}_a\\ K_2*(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_a)+K_1*{\mathrm{\θ}}_a& ,\mathrm{if}{\mathrm{\θ}}_a\≤\mathrm{\θ}\≤{\mathrm{\θ}}_b\\ K_3*(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_b)+K_2*({\mathrm{\θ}}_b-{\mathrm{\θ}}_a)+K_1*{\mathrm{\θ}}_a& ,\mathrm{if\θ}\≥{\mathrm{\θ}}_b\end{array}\right.;$

其中K1、K2、K3为预先设定的斜率，而θa与θb则是预先设定的角度值。

请参考图8。图8为本发明的手写笔54的另一实施例的示意图。手写笔54的笔头56的形状是设计成模仿水彩笔的几何形状，以模拟水彩笔的笔触。

综上所述，本发明的手写笔10、54的笔头18、56是利用软性材质制成，其形状则分别模仿毛笔与水彩笔的几何形状，而手写笔10、54会根据笔头18、56的形变程度，来计算出使用者的书写力，以分别模拟出毛笔与水彩笔的笔触。

须注意的是，上述实施例仅为例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明的范围。任何熟悉本技术的人员均可在不违背本发明的技术原理及精神下，对实施例作出种种等效的修改与变化。本发明的权利保护范围应如后述的权利要求所述。

Claims (10)

1.一种手写笔，经由一信号传输线连接于一主系统，该手写笔包含：

一笔杆；

一笔头，连接于该笔杆的一端，其是以软性材质所制成；

一齿轮，安装于该笔头之内，其中当该笔头产生形变时，该齿轮会根据该形变程度，产生相对应的转动；

一转动速度检测器，安装于该笔头内，用来检测该齿轮的转动，并且根据该齿轮的直径与该齿轮的齿长度，计算出一转动速度数据以及一转动方向数据；以及

一压力值产生器，连接于该转动速度检测器，用来接收该转动速度数据与该转动方向数据，并且根据该数据，产生一压力值；

其中该压力值是经由该信号传输线传送至该主系统。

2.如权利要求1所述的手写笔，其特征在于另包含一中心杆，该中心杆包含：

一第一杆，自该笔杆延伸至该笔头；

一第二杆，位于该笔头内；以及

一弹簧，用来将该第一杆连接于该第二杆；

其中该齿轮是安装于该中心杆的侧边，且位于该第一杆以及该第二杆之间，而该转动速度检测器是安装于该第一杆的侧边，且位于该齿轮的上端；当该笔头产生形变时，该弹簧会因受力而弯曲，进而导致该齿轮的转动。

3.如权利要求2所述的手写笔，其特征在于另包含：

一笔尖，连接于该第二杆的一端，以延伸突出于该笔头；以及

一位置传感器，安装于该笔尖内，用来感测该笔尖在一手写板上的位置坐标；

其中该位置坐标是连同该压力值，经由该信号传输线传送至该主系统。

4.如权利要求1所述的手写笔，其特征在于该软性材质为一橡胶。

5.如权利要求1所述的手写笔，其特征在于该软性材质为一塑胶。

6.如权利要求2所述的手写笔，其特征在于该弹簧为一扭力弹簧。

7.如权利要求2所述的手写笔，其特征在于该弹簧为一拉簧。

8.一种手写笔模拟输入方法，是藉由一主系统、及一经由一信号传输线连接于该主系统的手写笔所实施的方法，前述手写笔包含有一笔杆、连接于该笔杆的一端而以软性材质所制成的一笔头、安装于该笔头之内的一齿轮、一安装于该笔头内用来检测该齿轮转动的转动速度检测器、和一连接于该转动速度检测器用来接收该转动速度数据与该转动方向数据的压力值产生器；该方法包含有：

当前述笔头受力产生形变时，前述齿轮会根据该形变程度，产生相对应的转动，而前述笔头受力形变处即为一压力点，对应有一坐标位置；

侦知前述齿轮的转动，并且根据前述齿轮的直径与前述齿轮的齿长度，计算出一转动速度数据以及一转动方向数据；

接收前述转动速度数据与前述转动方向数据，并且根据该数据，产生一压力值；

前述转动速度的压力值经由该信号传输线传送至该主系统；

转换上述转动速度的压力值成为一半径值，连同前述压力点的坐标位置输出至前述主系统。

9.如权利要求8所述的手写笔模拟输入方法，其特征在于还包含：

侦知该齿轮的转动位置，当感测到该齿轮的齿时，输出一位置信号；

侦知该齿轮的转动方向，以产生一方向信号；以及

接收该位置信号与该方向信号，其中前述主系统是利用该齿轮的周长除以该齿轮的齿数，以计算出每两个齿间的齿间距离，并且利用该齿间距离除以每两个该位置信号之间隔时间，以计算出该齿轮的切线转动速率，并且根据该方向信号，决定该切线转动速率的方向；当该齿轮的转动方向为顺时针时，该方向信号为1，而当该齿轮的转动方向为逆时针时，该方向信号为-1，因此该切线转动速度的计算公式表示为：

切线转动速度＝±1×该齿轮的周长/该齿轮的齿数×1/间隔时间；

接收前述转动速度数据与该转动方向数据，并且根据该数据产生该齿轮的一切线转动速度；

接收该切线转动速度，并且根据该切线转动速度，产生一切线转动速度的压力值；

转换上述切线转动速度的压力值成为一向量值，连同前述压力点的坐标位置输出至前述主系统。

10.如权利要求9所述的手写笔模拟输入方法，其特征在于还包含：

接收前述切线转动速度，并且根据该切线转动速度计算出前述笔头的一弯曲角度；以及

接收前述弯曲角度，并且根据该弯曲角度产生该压力值；

其中各参数定义为：

r：该笔头的长度；

θ₁：在时间t时该笔头的弯曲角度；

₁：该齿轮在时间t时的转动角加速度；

该齿轮在时间t的转动角速度；以及

Δt：一单位时间；

所接收到的切线转动速度是表示为v₂，其是表示该齿轮在时间t+Δt时的切线转动速度；

该齿轮在时间t+Δt时的转动角速度 是被表示为：

该齿轮在时间t+Δt时的转动角加速度₂是被表示为：

该弯曲角度θ₂的计算公式是被表示为：

其中前述主系统另包含一预先设定的角度-压力变化表，以产生一压力值计算公式，将该弯曲角度θ₂代入该压力值计算公式，以产生该压力值，该压力值是以Z来表示，其计算公式为：

$Z=\left\{\begin{array}{cc}{K}_1*\mathrm{\θ}& ,\mathrm{if}0\≤\mathrm{\θ}\≤{\mathrm{\θ}}_a\\ K_2*(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_a)+K_1*{\mathrm{\θ}}_a& ,\mathrm{if}{\mathrm{\θ}}_a\≤\mathrm{\θ}\≤{\mathrm{\θ}}_b;\\ K_3*(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_b)+K_2*({\mathrm{\θ}}_b-{\mathrm{\θ}}_a)+K_1*{\mathrm{\θ}}_a& ,\mathrm{if\θ}\≥{\mathrm{\θ}}_b\end{array}\right.$

其中K1、K2、K3为预先设定的斜率，而θa与θb则是预先设定的角度值。

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