CN105446503A - 一种将手写（绘）信息实时数字化的智能笔 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种将手写（绘）信息实时数字化的智能笔，无需其他辅助设备，可在任意纸张上手写（绘），同时将手写（绘）信息实时数字化，并存储或实时发送。其主要包括：外形似普通笔的笔体内部分为两个腔：笔芯腔和电子器件腔，笔芯腔有笔芯和控制笔芯伸缩的步进机构，包括步进导轨、步进底板、磁吸和压力传导板、压力传感器。电子器件腔主要是印刷电路板和电池，电路板上主要有笔尖相对位置传感器、陀螺仪、加速度计、主控芯片、加密芯片、存储器、通信芯片、PCB板载天线。笔的顶部有用于印制参考点图案的微型自动打码机、对参考点图案连续拍照的微型高速摄像头、USB接口。笔的外表面另有工作模式切换开关、麦克风、显示屏和扬声器。

Description

一种将手写（绘）信息实时数字化的智能笔

技术领域

本发明涉及手写（绘）信息数字化的装置，尤其是涉及将手写（绘）信息实时数字化的智能笔。

背景技术

过去的近一百年的时间，信息技术、数字化技术给人类的社会生活带来了翻天覆地的变化。人们的生活中充斥着各种各样的数字化产品，人们在生产、生活中产生的各种信息：声音、图像、视频等都一一被数字化，以便于存储、传输、处理。但是，对于人们社会生活中的一种重要信息：手写（绘）信息，它的实时数字化则一直没有得到足够的重视和突破。写在纸上的手写（绘）信息主要通过扫描、拍照等手段以图像形式数字化，这种方式一方面不是实时数字化，另一方面图像中还包含纸张等媒介的背景信息，增加了手写（绘）信息存储、传输、处理的难度和成本。而手写板、数字板等电脑的专门外设和平板电脑虽然能够将手写（绘）信息实时数字化，但一方面它需要电脑和专门外设不便于携带，另一方面它只能产生数字化信息无法在纸张这样传统的媒介上书写和绘画。正是因为，一方面能够在纸张等传统媒介上书写，同时又将手写（绘）信息实时数字化、便于携带的智能笔的缺乏，另一方面，键盘的发明和大量使用提供给人们一种便利的文字信息的录入方式，这两方面的原因使得人们在生产、生活中越来越少的使用“笔”这一重要的信息产生工具。

但是，即便是今天，数字化设备在人们的生活中不断的占据着更加重要的地位，“笔”仍然是人们生产、生活中不可或缺的重要工具。过去的几十年它的不断受“冷落”不是因为它不被需要，而是因为它没有跟上时代发展的步伐，没有引入数字化技术。这主要是因为之前受硬件技术的约束，无法将数字化处理所需的硬件设备塞入到普通笔的狭小空间中。随着近年来嵌入式技术、物联网技术的高速发展这种情况已经彻底改变，将这些设备放入到普通笔的内部空间中已经完全可能。人类社会发展中，无论是是社会文化和科学技术都是一种“螺旋式上升”。相信在今天的技术条件下，“笔”这个重要的传统信息生成工具，在经过信息技术的改造后，一定会焕发第二春。

目前将普通笔进行信息化改造，既能在纸上写字又能将手写信息实时数字化的笔已经开始出现，重要的有两个产品：（1）美国Livescribe智能笔，它能够将在其配套的纸质笔记本上书写的信息实时数字化，在笔中存储或是同步在智能手机中显示；（2）手写板技术鼻祖Wacom公司生产的Inking产品，它除了有一只信息化改造的笔之外，还有一个用于定位笔尖轨迹信息的设备。市场上能够见到的其它几个产品，无一例外都是采用了特制笔记本或是辅助定位设备的方式来获取笔尖的轨迹信息。这两种方式都增加了携带和使用的不便利，极大的阻碍了智能笔的推广和普及。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种无需辅助设备，可在任意普通纸张上书写和绘画，并实时将手写（绘）信息实时数字化、可存储或同步上传至其它数字终端或后台服务器的智能笔。

为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：一个外形酷似普通钢笔的笔体，从下往上分为下笔头、笔身和上笔头三个部分，笔体内部分为两个腔：笔芯腔和电子器件腔，笔芯腔朝上时，笔芯腔和电子器件腔之间正对握笔人的笔身的外表面从下往上依次装有工作模式切换开关、麦克风、显示屏、扬声器，上笔头位于电子器件腔侧的外表面装有挂钩和MicroUSB接口，其外面有一橡胶盖，上笔头的正顶端有一微型自动打码机，上笔头的笔芯腔一则的外表面装有一微型高速摄像头；笔芯腔从下往上依次有可更换笔芯、步进机构，笔芯的最下端为笔尖，步进机构包括步进导轨、步进底板、笔芯磁吸和压力传导板、压力传感器；电子器件腔主要是一长条形印刷电路板和电池，电路板上从笔尖到笔头部依次装有笔尖相对位置传感器、安装电池的正负极簧片、陀螺仪、加速度计、主控芯片、加密芯片、存储器、通信芯片、PCB板载天线；工作模式切换开关、麦克风、显示屏、扬声器、MicroUSB接口、微型自动打码机、微型高速摄像头、步进机构都通过导线与印刷电路板相连。

微型自动打码机可用于印制一个6位阿拉伯字符串，自左至右的每两位分别表示月、日和2位序号，其中的“自动”主要是指它在主控芯片的控制下，自动调整印制的6位阿拉伯字符串的字符，印制的6位字符主要有两个作用：一是它被印制在纸张左上角位置，用于页面位置的参考点；二是它可被用来检索所存储的字迹，便于在以后修改该字迹的纸张内容时，可同时修改相应的数字信息。

微型高速摄像头、陀螺仪、加速度计组成了笔尖位置识别第一单元，用于获取笔尖相对于微型自动打码机所印制参考点的位置，笔尖相对位置传感器是笔尖位置识别第二单元，用于获取笔尖的相对位移。

微型高速摄像头主要用于获取前述用微型自动打码机印制的参考点的序列图像，作为相对定位算法的输入，用以确定上笔头顶端与参考点的相对位置，也可用于其它需要拍照或录像的场景。

陀螺仪主要用于获取笔体的旋转角度，用以确定摄像头当前的位置。

加速度计主要用于获取笔体与纸张所在平面的夹角，以及笔体在该平面的投影与平面的X轴夹角，结合笔体几何参数可计算出笔尖与上笔头顶端的相对位置，结合上述上笔头顶端与参考点之间的相对位置，可确定笔尖相对于参考点的位置。

笔尖相对位置传感器主要用于获取笔尖的相对位移。

较佳的，两套笔尖定位方法相互配合以达到保证定位精度和提高能量效率的目的，笔尖相对位置传感器确定的笔尖相对位移值精度高，为了节能它需要笔尖相对位置传感器离纸张在一定距离范围内才能正常工作，而且它仅能获取笔尖自身的相对位移，无法获取笔尖与前述用微型自动打码机印制的参考点的相对位置关系，因此又使用了能耗高的基于微型高速摄像头、陀螺仪、加速度计的相对参考点定位，在笔移入到纸张上部准备书写时用能耗高的方法获取笔尖相对参考点的位置关系，当能耗低的笔尖相对位置传感器能够工作时，由笔尖相对位置传感器接管，能耗高的定位方法停止工作，直到离开笔尖相对位置传感器的工作范围，就再由能耗高的定位方法接管，两套系统通过主控芯片的控制协调一致的工作。

可更换笔芯是可以在任何普通纸张上留写油墨轨迹的笔芯。

步进机构用于控制笔芯伸出笔芯腔和缩回笔芯腔，当该智能笔失去相对前述用微型自动打码机印制的参考点的位置时，步进机构控制笔芯缩回笔芯腔，当该智能笔获得与前述用微型自动打码机印制的参考点的位置时，步进机构控制笔芯伸出笔芯腔，它在主控芯片的控制下工作。

步进导轨用于提供步进底板的运动导轨。

步进底板用于安装笔芯磁吸和压力传导板、压力传感器，并在步进导轨上前进、后退，直接控制笔芯伸出或缩回笔芯腔。

笔芯磁吸和压力传导板主要用于吸住笔芯，并将笔芯书写和绘画时的压力传导到压力传感器。

压力传感器主要用于检测书写和绘画时施加的压力，以便数字化笔迹的粗细。

安装电池的正负极簧片主要用于电池充电或电池供电。

主控芯片是智能笔的CPU，控制智能笔内部各部件统一协调工作，当工作模式切换开关处于智能笔状态时，主控芯片获取所有传感器状态，如果检测到笔当前处于非使用状态时，持续一段时间后进入休眠状态，整个系统的电流降到十微安左右，当传感器检测到笔在运动则迅速唤醒整个系统，运行基于高速摄像头的相对参考点定位算法获取笔尖与参考点的相对位置，同时检测笔尖相对位置传感器是否可以工作，在两个条件都满足的情况下，控制步进机构伸出笔芯，并实时监测笔尖相对参考点的位置，同时监测压力传感器的值，并将位置和压力信息转换为三维向量发送到存储器存储或是经通信芯片发送到其它设备或后台，微型自动打码机的码号也由主控芯片自动调整。

加密芯片用于对数字化后的手写（绘）信息进行加密处理。

存储器用于存储实时数字化的手写（绘）信息、麦克风输入的录音信息、微型高速摄像头输入的图像和视频信息等，此外它的不可写区域存储有笔的唯一序列号。

通信芯片主要用于该智能笔与其它数字设备或网络进行通信，可根据需要选装WiFi、3G、4G、蓝牙等无线通信芯片。

PCB板载天线是上述芯片信号发射和接收装置。

电池可以根据需要选装充电电池或干电池。

工作模式切换开关有关闭、普通笔、智能笔三个状态。

工作模式切换开关处于关闭状态时，笔尖收回笔芯腔，所有电子部件的电源断开。

工作模式切换开关处于普通笔状态时，主控芯片驱动步进机构将笔尖推出笔芯腔，其它电子部件的电源被断开，此时该笔就像是一个普通笔，不将手写（绘）信息数字化。

工作模式切换开关处于智能笔状态时,所有电子部件将供电，写在纸上的手写（绘）信息同时被实时数字化，并存储或发送至其它设备或后台。

麦克风主要用于通话或录音的语音输入。

显示屏用于关键信息的显示，如呼入的电话号码、可以连接的蓝牙设备、WiFi接入点等。

扬声器用于声音信息的输出。

附图说明

图1为本发明的内部结构示意图。

图2为本发明的外部结构示意图。

图3为本发明的电子部件逻辑框图。

图中：10笔体，101下笔头，102笔身，103上笔头，1021工作模式切换开关，1022麦克风，1023显示屏，1024扬声器，1031挂钩，1032MicroUSB接口，1033橡胶盖，1034微型自动打码机，1035微型高速摄像头，20笔体内部，201笔芯腔，202电子器件腔，2011可更换笔芯，20111笔尖，2012步进机构，20121步进导轨，20122步进底板，20123磁吸和压力传导板，20124压力传感器，2021印刷电路板，20211笔尖相对位置传感器，20212正负极簧片，20213陀螺仪，20214加速度计，20215主控芯片，20216加密芯片，20217存储器，20218通信芯片，20219PCB板载天线。

具体实施方式

请参照图1至图3，本发明主要解决的问题是提供一种将手写（绘）信息实时数字化的智能笔，它在任意纸张上留下墨迹的同时将笔迹信息实时数字化，它不依赖于任何其他辅助装置或设备，便于携带、易于使用。

下面结合图1和图2，详细说明本发明的具体实施例。

一个外形酷似普通钢笔的笔体10，从下往上分为下笔头101、笔身102和上笔头103三个部分，笔体10内部20分为两个腔：笔芯腔201和电子器件腔202。

笔芯腔201朝上时，笔芯腔201和电子器件腔202之间正对握笔人的笔身102的外表面从下往上依次装有工作模式切换开关1021、麦克风1022、显示屏1023、扬声器1024。

上笔头103位于电子器件腔202侧的外表面装有挂钩1031和MicroUSB接口1032，其外面有一橡胶盖1033，上笔头103的正顶端有一微型自动打码机1034，上笔头103的笔芯腔201一则的外表面装有一微型高速摄像头1035。

笔芯腔从下往上依次有可更换笔芯2011、步进机构2012，笔芯的最下端为笔尖20111，步进机构包括步进导轨20121、步进底板20122、磁吸和压力传导板20123、压力传感器20124。

电子器件腔主要是一长条形印刷电路板2021和电池2022，电路板上从笔尖到笔头部依次装有笔尖相对位置传感器20211、安装电池的正负极簧片20212、陀螺仪20213、加速度计20214、主控芯片20215、加密芯片20216、存储器20217、通信芯片20218、PCB板载天线20219。

工作模式切换开关1021、麦克风1022、显示屏1023、扬声器1024、MicroUSB接口1032、微型自动打码机1034、微型高速摄像头1035、步进机构2012都通过导线与印刷电路板相连。

其使用方式：

当工作状态切换开关处于关闭状态时，笔尖收回笔芯腔，所有电子部件断电；

当工作状态切换开关处于普通笔状态时，笔尖被推出笔芯腔，所有无关电子部件断电，笔只能作为普通笔使用；

当工作状态切换开关处于智能笔状态时，笔在纸张上书写和绘画的笔迹信息将同时转换为数字信息存储到笔内的存储器中，或被发送至其它数字设备或后台服务器。

作为智能笔使用时的一般步骤：首先将工作模式切换开关置于智能笔状态，在空白纸的左上角用上笔头顶端的微型自动打码机印制作为参考点和检索用的6位字符串，像握普通钢笔的方式握笔即可保证微型高速摄像头朝外，在笔移近纸张的过程中，主控芯片通过相应传感器获取到笔尖在纸张上的位置，笔尖自动被推出笔芯腔，之后即可在纸张上书写，且手写（绘）信息被同时数字化并加密，之后被保存至存储器或发送至设备或后台服务器。

Claims (10)

1.一种将手写（绘）信息实时数字化的智能笔，其主要特征包括：一个外形酷似普通钢笔的笔体，从下往上分为下笔头、笔身和上笔头三个部分，笔体内部分为两个腔：笔芯腔和电子器件腔，笔芯腔朝上时，笔芯腔和电子器件腔之间正对握笔人的笔身的外表面从下往上依次装有工作模式切换开关、麦克风、显示屏、扬声器，上笔头位于电子器件腔侧的外表面装有挂钩和MicroUSB接口，其外面有一橡胶盖，上笔头的正顶端有一微型自动打码机，上笔头的笔芯腔一则的外表面装有一微型高速摄像头；笔芯腔从下往上依次有可更换笔芯、步进机构，笔芯的最下端为笔尖，步进机构包括步进导轨、步进底板、笔芯磁吸和压力传导板、压力传感器；电子器件腔主要是一长条形印刷电路板和电池，电路板上从笔尖到笔头部依次装有笔尖相对位置传感器、安装电池的正负极簧片、陀螺仪、加速度计、主控芯片、加密芯片、存储器、通信芯片、PCB板载天线；工作模式切换开关、麦克风、显示屏、扬声器、MicroUSB接口、微型自动打码机、微型高速摄像头、步进机构都通过导线与印刷电路板相连。

2.根据权利要求1所述的智能笔，其特征在于：微型自动打码机在主控芯片的控制下自动生成一个6位阿拉伯字符串，自左至右的每2位依次为月、日和序号，微型打码机印制此6位阿拉伯字符串于纸张左上角作为页面位置的参考点，另外此6位阿拉伯字符串也可用于对存储的字迹进行检索。

3.根据权利要求1所述的智能笔，其特征在于：微型高速摄像头、陀螺仪、加速度计组成了笔尖位置识别第一单元，识别笔尖相对于页面参考点的位置。

4.根据权利要求1所述的智能笔，其特征在于：笔尖相对位置传感器为笔尖位置识别第二单元，识别笔尖自身的相对位移。

5.根据权利要求1所述的智能笔，其特征在于：在主控芯片的控制下，笔尖位置识别的两个单元，相互配合实时识别笔尖在纸张上运行时相对于页面参考点的位置。

6.根据权利要求1所述的智能笔，其特征在于：工作状态切换开关控制智能笔是只在纸张上书写，还是在纸张上书写（绘画）的同时将该信息数字化并存储于存储单元或发送至其它数字设备或后台。

7.根据权利要求1所述的智能笔，其特征在于：当在纸张上书写（绘画）并同时数字化的工作状态时，笔芯是否伸出笔芯腔由步进机构自动控制。

8.根据权利要求1所述的智能笔，其特征在于：压力传感器监测笔尖在纸张上书写（绘画）时，笔尖施加给纸张的压力信息，并将其数字化。

9.根据权利要求1所述的智能笔，其特征在于：通过监测智能笔上各传感器的状态，确定笔是正在被使用、还是非使用状态，非使用状态持续一定时间，系统自动进入休眠，降低系统能耗。

10.根据权利要求1所述的智能笔，其特征在于：加密芯片在手写（绘）信息的数据写入存储器或发送至其它设备和后台之前，对该数据进行加密处理。