CN106796459B - 触笔 - Google Patents

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Abstract

公开了一种具有所施加的力敏感尖端开关的触笔。触笔包括响应于可变的所施加的力的尖端开关。控制电路确定尖端开关是否与对象接触，如果接触，由接触引起的所施加的力的幅度。电路然后对信号进行编码，所述信号随所施加的力的幅度而变化，并且将经编码的信号传输至计算设备，使得计算设备能够在计算机屏幕上指示触笔中的尖端开关的二维或三维信号路径。电路还监视手动超驰开关，该开关激活经编码的超驰信号以供计算设备解释和使用而同时在计算机屏幕上指示尖端开关的路径。

Description

触笔
背景技术
触笔设备用于与计算设备交互并且向计算设备传达信息。例如，触笔可以用于在计算机屏幕上绘制线条或激活用户界面，这样的图形用户界面(GUI)是计算系统或工作站的部分。与触笔的使用相关联的一项挑战涉及触笔尖端或笔尖的位置的精确标识。这在触笔被使用在三维空间中而不是简单地二维空间时变得特别明显，在二维空间中触笔通常结合触摸板使用。这在用户期望在开放立体图中作注释时变得进一步明显，其中不存在用于激活触笔的触摸对象。以下鉴于本发明的原理来详细描述这些挑战和其它挑战。
附图说明
附图图示本文所描述的原理的各种示例，并且是说明书的一部分。所图示的示例仅仅是示例，并且不限制权利要求的范围。
图1是本发明的一个示例的透视图，其图示了根据本文所描述的原理的一个示例的外壳、尖端开关、手动超驰按钮和LED超驰指示器。
图2是图示在图1中的示例的剖面侧视图，其图示了根据本文所描述的原理的一个示例的发明触笔的各种组件。
图3是根据本文所描述的原理的一个示例的使用在发明触笔的一个示例中的印刷电路板和各种组件电路的俯视图。
图4是图示了根据本文所描述的原理的一个示例的在触笔上施加的力水平和利用发明触笔绘制的线条特性的所得改变的转变的屏幕截图。
图5是根据本文所描述的原理的一个示例的正用于对三维对象和开放立体图中的圆形作注释的发明触笔的透视图。
图6是图示了根据本文所描述的原理的一个示例的使用在发明触笔的一个示例中的逻辑步骤的流程图。
图7是图示了根据本文所描述的原理的一个示例的使用在发明触笔的一个示例中的逻辑步骤的第二流程图。
图8是图示了根据本文所描述的原理的一个示例的使用在发明触笔的一个示例中的逻辑步骤的第三流程图。
遍及各图，相同参考标号指代类似但不一定相同的元件。
具体实施方式
在图中示出并且在下文描述的示例说明但不限制本发明，本发明在以下描述之后的权利要求中加以限定。
在以下描述中，出于说明的目的，阐述众多具体细节以便提供本系统和方法的透彻理解。然而，对本领域技术人员显而易见的是，本装置、系统和方法可以在没有这些具体细节的情况下实践。说明书中对“示例”或类似语言的引用意指结合该示例描述的特定特征、结构或特性如所描述的那样被包括，但是可能不被包括在其它示例中。
参照图1，图示了具有本发明的各方面的触笔(100)。触笔(100)包括外壳(102)和尖端开关(104)。外壳(102)可以包括外壳(102)的部分之上的回射涂层(106)，或者在可替换的示例中，回射涂层可以完全覆盖外壳(102)的外表面。触笔(100)还可以包括手动开关(108)和指示器灯(110)。在一个示例中，指示器灯(110)是LED并且用于在手动开关(108)被闭合或激活时进行指示。如图1中所图示的，触笔(100)，或可替换地，外壳(102)的横截面一般是圆柱形的并且在其长度之上延伸，具有用于书写的钢笔或铅笔的形状。然而要领会到，可以采用其它形状，诸如正方形或六边形横截面。外壳(102)还可以包括第一端(112)和第二端(114)，该外壳具有渐缩形状，所述渐缩形状从例如外壳的圆柱形横截面开始并且渐缩到尖端开关(104)位于其中的相对较小横截面。本发明的可替换示例可以包括触笔(100)或外壳(102)的第二端(114)处的第二尖端(116)。在一些示例中，第二尖端(116)可以具有尖端开关能力，如以下进一步描述的。
现在参照图2，图示了以上描述的触笔(100)的横截面剖面视图。触笔(100)的内部组件可以包括印刷电路板(PCB)(118)，该印刷电路板自身包括安装在其上的手动开关(108)和指示器灯(110)。此外，PCB(118)包括控制单元或电路(120)和射频传输器(122)。传输器(122)通过无线射频链路从触笔(100)向计算设备(未图示)传送数据。可替换地，无线链路可以用触笔(100)和计算设备之间的有线链路代替。PCB(118)还可以包括加速度计(124)，该加速度计可以检测触笔(100)在二维或三维中的精细移动。仍旧参照图2，触笔(100)可以包括用于抵靠金属结构安装触笔(100)的磁体(126)，所述金属结构诸如例如计算设备的外壳的金属部分。触笔(100)的内部组件部分还可以包括用于供应功率的电池(128)。可替换地，可以通过在触笔(100)和计算设备之间延伸的导线来供应功率。
仍旧参照图2，触笔(100)包括，如以上所指示的，尖端开关(104)。尖端开关(104)在一个示例中包括用于在计算设备上进行绘图或书写的尖端部分(有时称为“笔尖”)(130)。尖端开关(104)还包括轴杆部分(132)和电接触部分(134)。轴杆部分(132)或电接触部分(134)或二者具有负载或力感测能力，以用于检测在书写或绘图期间置于尖端部分(130)上的负载的幅度。例如，负载感测部分可以包括压电材料，该压电材料基于在绘图或书写期间经历的负载而更改电阻。电阻的改变可以由控制单元或电路(120)使用以确定负载的幅度。负载感测材料或设备的可替换示例包括电容传感器或简单的应变仪。尖端开关(104)的接触部分(134)可以与PCB(118)的端部间隔短距离(136)，并且在一个示例中通过弹簧(未图示)从PCB(118)偏置开。使接触部分(134)以这样的方式从PCB(118)偏置开更好地确保来自尖端开关的寄生负载或噪声在触笔(100)不正用于书写或绘图时不被控制单元或电路检测到。
现在参照图3，以概念方式说明具有刚才描述的组件的PCB(138)的一个示例的第二或俯视图。在该示例中，PCB(318)包括手动开关电路(308)和指示器灯电路(310)。PCB(318)还可以包括用于控制单元(320)、传输器(322)和加速度计(324)的电路。取决于PCB(318)上的组件的功率要求，还可以采用升压转换器(323)。说明性PCB(318)还包括用于建立与例如电池功率源(328)(在部分视图中示出)的电连接的功率源接触点(340)。PCB(318)还包括用于建立与说明性尖端开关(304)(在部分视图中示出)的接触部分(334)的电连接的尖端开关接触点(342)。
说明性PCB(318)(和图2中所示的PCB(118))可以使用可容易得到的组件和技术来布置和构造。一个这样的示例中的基本组件部分包括用于控制电路和传输器的德州仪器公司的CC2540BLE SoC以及亚德诺半导体技术有限公司(Analog Device)的ADXL3623轴加速度计。SoC和加速度计可以使用串行外围接口协议进行连接。手动开关和指示器组件可以使用通用输入/输出引脚连接到SoC。可以使用从电池或升压转换器接收的Vcc输入来给SoC供应功率。
现在参照图4和图5，图示了与计算设备一起使用的本发明的示例触笔。一般而言，本文中所考虑的计算设备包括用以从触笔接收输入的任何类型的计算设备，诸如但不限于，平板计算机、可转换笔记本或膝上型计算机、个人数字助理、绘图板、游戏设备或其它类似设备。更具体地，如本文所考虑的计算设备可以包括具有用于数据输入的触摸屏接口的任何设备。此外，本发明的触笔可以与结合三维扫描装备使用的投影捕获设备一起有利地使用。以下参照图4和图5更加详细地描述发明触笔与触摸屏和投影捕获系统一起的使用。
参照图4，图示了具有触摸屏(402)的计算设备(400)。触摸屏可以是用以接收传送至处理器或其它电子设备的输入的电容型触摸屏。电容型触摸屏使得计算设备能够精确地追踪处于与触摸屏的操作接合中的触笔尖端的位置。然而，触摸屏不能够精确地检测由触笔施加到触摸屏的力或者更改由触笔在触摸屏上做出的线条或绘图的特性。该发明触笔通过检测触笔尖端处的力的幅度并且将该信息传送至计算设备(例如与其通信的触摸屏或处理器)来解决该缺陷。
例如，图示了触笔(404)，该触笔正在触摸屏(402)的表面上绘制线条(406)。触笔(404)包括尖端开关(408)，诸如以上参照图1和图2描述的尖端开关。触笔跨触摸屏(402)的表面绘制线条(406)，从第一点(406A)开始并且在第五点(406E)处终止。在第一点(406A)处，触笔中的控制电路检测第一幅度或力水平，并且跟随力水平的编码，向计算设备传输经编码的数据。计算设备通过生成对应于第一幅度或力水平的线宽来作出响应，如图4中所指示的，在第一点(406A)和第二点(406B)之间绘制的线条(406)中之间。
在第二点(406B)处，从触摸屏(402)的表面移除触笔(404)，并且更具体地，移除尖端开关(408)。尖端开关(408)从触摸屏(402)的表面的移除使得尖端开关(408)失去与PCB(例如图1和图3中的PCB(118)或PCB(318))的电连接。控制电路检测到电连接性的失去并且将这解释为触笔从触摸屏的移除。控制电路对该信息进行编码并且向计算设备传输数据。计算设备通过不生成第二点(406B)和第三点(406C)之间的线宽来作出响应。可替换地，触笔(404)(或尖端开关(408))不需要从触摸屏物理地移除以用于命令计算设备不绘制线条。而是，可以设置由控制电路检测的力水平的幅度的阈值，在阈值以下将不生成线条，即便触笔(404)保持与触摸屏接触，并且向尖端开关(408)施加小但在阈值以下的力。
在第三点(406C)处，向尖端开关(408)重新施加充足的力以再一次使计算设备生成对应于所施加的力的幅度的线宽。如图4中所指示的，在第三点(406C)处开始的线宽与第一点(406A)和第二点(406B)之间的线宽相同，从而指示置于尖端开关(408)上的所施加的力的幅度在线条绘制的两个区中相同。在第四点(406D)处，施加到尖端开关(408)的力中的突然增加通过线宽中的突然增加来指示。增加的线宽延伸到第五点(406E)。
出现在图4中的线条(406)被图示和描述为具有线宽中的突然改变。第一突然改变发生在第二点(406B)处，其中线宽从对应于第一所施加的力水平的第一宽度改变到对应于阈值以下的所施加的力或触笔移除的完全没有宽度或线条。第二突然改变发生在第三点(406C)处，该改变是第一改变的相反情况。第三突然改变发生在第四点(406D)处，其中线宽从第一线宽大幅增加。第四点(406D)处的线宽中的突然改变由施加到尖端开关(408)的力中的突然增加引起。
在可替换的示例(未图示)中，线宽作为在尖端开关处施加的力的函数而逐渐而非突然地增加或减小。作为所施加的力的函数的线宽中的逐渐增加或减小(除了突然增加或减小之外)通过由控制电路检测和传输的所施加的力水平的适当离散化而使得能够实现。例如，适合于本发明的尖端开关可以检测0克到近似400克之间的所施加的力水平。控制电路可以被编程为使用8位字对所施加的力数据进行编码，这将把400克范围离散化成256个增量。相反，3位字将准许仅8个增量。在任一情况下，递增力水平可以通过使用任何标准技术来编码和传输至计算设备，诸如频率、相位或振幅漂移键控或任何其它标准编码手段。
现在参照图5，图示了与投影捕获型计算设备或系统一起使用的发明触笔。例如，将投影捕获系统(500)图示为结合合并本发明的若干原理的触笔(504)使用。系统包括提供交互式工作空间(552)的红外相机或深度传感器(550)。红外相机或深度传感器(550)操作耦合到观看屏幕(554)，使得放置在工作表面(556)上的二维(例如照片或文档)或三维对象被重构，并且它们的图像在观看屏幕(554)上生成和照亮。在本发明的一个示例中，触笔(504)完全或部分地覆盖有回射涂层(506)。回射涂层(506)使得红外相机或深度传感器(550)能够追踪交互式工作空间(552)内的触笔(504)的位置。加速度计也可以使用在触笔中以针对触笔的精细位置移动进行调节，所述精细位置移动对于红外相机或深度传感器而言过于粗略以致无法精确地追踪。
仍旧参照图5，示出放置在工作表面(556)上的三维对象(558)。图示了触笔(504)，该触笔正以与以上描述的类似的方式在对象(558)的表面上绘制线条(560)。红外相机或深度传感器(550)用于在观看屏幕(554)上重构对象(558)和线条(560)的图像(562)。在另外的示例中，本发明的触笔可以用于在交互式工作空间(552)内的任何位置中对线条或绘图作注释；线条或绘图不需要直接在对象上执行。例如，图示了第二触笔(508)，该第二触笔正在交互式工作空间(552)内部绘制圆形(510)。圆形(510)的图像(512)以与以上描述的类似的方式通过深度传感器(550)的红外相机的使用而生成并且在观看屏幕(554)上示出。
在对离开对象或触摸屏表面的立体图中的线条或绘图作注释中的一个明显差异是需要激活触笔而不是通过与尖端开关的直接接触。在这种情况下，将手动开关(514)(图1和图2中的手动开关(108))用作对尖端开关的超驰。更具体地，当触笔的用户期望在没有触笔(或尖端开关)与对象接触的情况下在立体图中作注释时，用户闭合(或激活)手动开关(514)。使用手动开关(514)超驰尖端开关使得触笔(508)内的控制电路能够编码和向计算设备传输对应于超驰施加力水平的信号。该特征使得计算设备能够生成触笔(或尖端开关)位置的图像而没有通过与对象的接触激活尖端开关。手动超驰开关和控制电路通过例如使用预定序列触发开关来向计算设备发信号通知图像不同线宽或甚至颜色。
现在参照图6，流程图(600)图示了可以用于使用本发明的原理来确定尖端开关或手动超驰开关的状态的逻辑步骤的示例集合。本领域技术人员将认识到，若干步骤可以互换、组合或更改以实现类似的功能。示例步骤的序列在对计算设备和触笔上电时启动或开始(602)。第一询问(604)为是否激活手动超驰开关。如果激活手动超驰开关，则控制电路将所施加的力信号设置成超驰值(606)。如以上所描述的，超驰值可以基于手动超驰开关的激活序列而设置成若干值之一。一旦设置信号水平，则对信号编码(608)并且然后将该信号传输(610)至计算设备。步骤的序列然后返回到第一询问(604)并且重复直到第一询问确定手动超驰开关开路或者不再被激活。
如果手动超驰开关开路，序列进行到第二询问(612)。第二询问(612)为笔尖或尖端开关是否与PCB电接触，如以上所描述的。如果没有检测到接触，则将所施加的力信号设置成零(614)并且然后对该信号进行编码(608)和传输(610)。如果检测到接触，则控制电路询问(616)在尖端开关处施加的力是否大于阈值。如果所施加的力小于或等于阈值，则，如关于无接触情形那样，将信号设置成零，对该信号进行编码和传输。如果所施加的力大于阈值，则对所检测到的所施加的力水平进行编码(608)和传输(610)。如以上所陈述的，表示所施加的力水平的信号(被检测到或手动设置)可以如所期望的那样粗略或精细地离散化，并且使用标准技术进行编码以供传输至计算设备。
参照图7，示例步骤的更一般的序列(700)图示了使用以上所描述的原理的方法。第一步骤是激励(702)计算设备和触笔，如果该计算设备和触笔之前没有被激励的话。第二步骤确定触笔在工作空间中的位置(704)，所述工作空间可以是二维或三维工作空间。第三步骤确定尖端开关和手动超驰开关的状态，并且设置对应于状态的信号(706)。第四和第五步骤分别对信号进行编码(708)并且向计算设备传输经编码的信号(710)。在一个示例中，参照图6描述的步骤可以用于完成刚才参照图7描述的步骤的更一般的序列。
参照图8，示例步骤的序列(800)图示了用于感测施加到触笔的尖端的力并且向计算设备提供代表力的幅度的信号的方法。该方法通过提供力感测触笔而启动，所述力感测触笔具有外壳、操作耦合到外壳的尖端开关，其中尖端开关响应于所施加的力、用以检测施加到尖端开关的力的幅度并且产生信号的控制电路，其中信号的值随所施加的力的幅度而变化，以及用以传输表示施加到尖端开关的力的幅度的信号的射频天线(802)。然后产生当尖端开关关于外壳移动时随所施加的力的幅度变化的信号(804)并且向计算设备传输该信号(806)。力感测触笔还可以包括手动开关以超驰尖端开关，其中当没有力施加到尖端开关时触笔变得可操作。另外，外壳可以包括外表面，该外表面的至少部分是回射的以用于位置检测。附接到外壳或在外壳内的加速度计还可以用于改善触笔在至少两个维度中的位置确定。此外，控制电路可以用于检测施加到尖端开关的力的幅度的阈值水平。
以上描述的触笔和尖端开关组合在许多情形中是有用的。一个情形涉及用于协作用户交互的远程会议。在这样的情形中，计算设备(未必是相同的设备)可以远程定位并且经由互联网或本地内联网连接。对象或对象周围的二维或三维空间可以被注释并且与远程用户实时共享注释。该组合还准许在对象表面上或离开对象表面的简单的二维或三维绘图或注释。可以存储绘图或注释以供稍后使用或转发给其他人，例如经由电子邮件。另一优点是该组合提供了精确坐标测量机器，该精确坐标测量机器供在对对象上的具体位置的坐标位置进行测量中使用。
仅为了说明和描述所描述的原理的示例而呈现前述描述。该描述不意图是穷举的或将这些原理限制到所公开的任何确切形式。鉴于以上教导，许多修改和变化是可能的。

Claims (12)

1.一种供计算设备使用的触笔，包括：
外壳；
操作耦合到外壳的尖端开关，其中尖端开关响应于所施加的力；
用以检测施加到尖端开关的力的幅度并且产生信号的控制电路；
用以检测触笔在三维中的移动的加速度计；
用以向计算设备传输表示施加到尖端开关的力的幅度的信号的天线；以及
用以超驰尖端开关的手动开关，其中：
触笔在没有力施加到尖端开关时变成可操作的，并且
在手动开关激活期间，触笔在三维空间中的移动使加速度计检测触笔在三维空间中的移动，并作为用触笔书写输入到计算设备。
2.根据权利要求1所述的触笔，其中外壳具有外表面，该外表面的至少部分是回射的。
3.根据权利要求1所述的触笔，其中控制电路可操作成检测施加到尖端开关的力的幅度的阈值水平。
4.一种供计算设备使用的力敏感触笔，包括：
外壳；
操作耦合到外壳的尖端开关，其中尖端开关响应于所施加的力；
用以检测施加到尖端开关的力的幅度并且产生信号的控制电路，所述信号的值随所施加的力的幅度而变化；
用以检测触笔在三维中的移动的加速度计；以及
用以超驰尖端开关的手动开关，其中：
触笔在没有力施加到尖端开关时变成可操作的；并且
控制电路基于加速度计检测到的移动，将触笔在三维空间中的移动编码为用触笔书写。
5.根据权利要求4所述的触笔，其中外壳具有外表面，该外表面的至少部分是回射的。
6.根据权利要求5所述的触笔，其中所述加速度计改善触笔在至少两个维度中的位置确定。
7.根据权利要求6所述的触笔，其中控制电路可操作成检测施加到尖端开关的力的幅度的阈值水平。
8.根据权利要求4所述的触笔，其中所施加的力的幅度范围从0到400克。
9.一种用于感测施加到触笔的尖端的力并且向计算设备提供表示力的幅度的信号的方法，包括：
提供力感测触笔，包括：
外壳；
操作耦合到外壳的尖端开关，其中尖端开关响应于所施加的力；
用以检测施加到尖端开关的力的幅度并且产生信号的控制电路，所述信号的值随所施加的力的幅度而变化；
用以检测触笔在三维中的移动的加速度计；以及
在没有力施加到尖端开关时用以超驰尖端开关以激活触笔的手动开关；
产生当尖端开关关于外壳移动时随所施加的力的幅度变化的信号；以及
向计算设备传输所述信号；以及
响应于手动开关的激活：
将施加的力信号设置成超驰值；并且
利用控制电路，基于加速度计检测到的移动，将触笔在三维空间中的移动编码为用触笔书写。
10.根据权利要求9所述的方法，其中外壳具有外表面，该外表面的至少部分是回射的。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述加速度计改善触笔在至少两个维度中的位置确定。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述控制电路可操作成检测施加到尖端开关的力的幅度的阈值水平。
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