CN109491526B - 带书写触感的电子笔及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了带书写触感的电子笔，包括书写端和电脑端；书写端包括控制模块、陀螺仪模块、直线振动电机、压力传感器、传振构件、限位构件以及书写端通信模块；陀螺仪模块连接控制模块；直线振动电机连接控制模块；传振构件与直线振动电机贴合；限位构件固定并与传振构件连接；压力传感器设置在直线振动电机与限位构件之间，连接控制模块；书写端通信模块连接控制模块；电脑端包括电脑端通信模块和电脑端微处理器；电脑端通信模块与书写端通信模块无线连接，还连接电脑端微处理器，电脑端微处理器连接外部计算机。还公开了带书写触感的电子笔的实现方法。本发明结构紧凑、便于携带和移动；同时可获得真实的书写体验和效果；并可实现无线鼠标功能。
Description
技术领域
本发明涉及计算机外围输入设备技术领域，尤其是涉及带书写触感的电子笔及实现方法。
背景技术
随着多媒体技术的发展和普及，在教师授课、会议讲评或产品路演展示时，经常需要对显示屏或投影幕上的内容进行操控，甚至要在画面上现场书写文字和作画。
1.使用传统的输入设备，如鼠标(特别是飞鼠)来写、画时，指尖和手腕无法感受到平时运笔的触感，只能全凭眼睛紧盯光标的运动轨迹一点点的描，落笔和提笔的动作靠点击相应的开关来模拟。书写的动作、感觉与平时多年练就已形成条件反射的用笔习惯大相径庭。无法通过增减书写的力度来调节笔迹的粗细、笔锋以及每一笔划之间的停顿与连接关系，和平常书写相比，缺乏真实感,并且书写效果与平常相差甚远；
2.使用触摸板(屏)作为输入设备时，其效果和平常用纸、笔书写的相差不大，但也存在两个明显不足：1)触摸屏不如鼠标小巧，使用者需要一边走动,一边演示时携带不够方便；2)书写大字或绘制大幅图画时操作不便、程序繁杂。
发明内容
本发明提供了带书写触感的电子笔，用于解决现有手写笔使用过程中缺乏真实感、书写效果不好以及不便于携带和操作的问题。
实现本发明所用的技术特征为：
带书写触感的电子笔，包括书写端和电脑端；
所述书写端包括控制模块、陀螺仪模块、用于对手指产生触感的直线振动电机、用于获取直线振动电机所产生触感压力大小的压力传感器、用于在直线振动电机的作用下产生位移并传导触感的传振构件、用于稳定传振构件并使传振构件产生位移时回位的限位构件以及书写端通信模块；
所述陀螺仪模块的输出端连接至控制模块；所述直线振动电机的输入端连接至控制模块；所述传振构件与直线振动电机贴合；所述限位构件固定于书写端并与传振构件连接；所述压力传感器设置在直线振动电机与限位构件之间，所述压力传感器的输出端连接至控制模块；所述书写端通信模块连接至所述控制模块，所述书写端通信模块与电脑端无线连接；
所述电脑端包括电脑端通信模块和电脑端微处理器；
电脑端通信模块与书写端通信模块无线连接，电脑端通信模块还连接至电脑端微处理器，电脑端微处理器连接至外部计算机。
进一步的，所述控制模块包括书写端微处理器、采样电路、通信接口、电机驱动电路；
所述压力传感器的输出端连接至采样电路的输入端，所述采样电路的输出端连接至书写端微处理器；
所述电机驱动电路在所述书写端微处理器的控制下驱动所述直线振动电机产生振动；
所述书写端通信模块的输入端连接至通信接口的输出端，通信接口的输入端连接至书写端微处理器；
所述陀螺仪模块的输出端连接至书写端微处理器。
进一步的所述书写端还包括电池，所述电池为所述控制模块、陀螺仪模块和书写端通信模块供电。
进一步的，所述书写端还包括中空的笔壳；
所述控制模块、书写端通信模块、陀螺仪模块、直线振动电机、压力传感器、传振构件、限位构件、电池设置在笔壳内。
进一步的，沿笔头向笔尾方向在所述笔壳设置有个隔离层，所述3个隔离层分别为第一隔离层、第二隔离层和第三隔离层；通过3个隔离层将所述笔壳内分为4个腔室，所述4个腔室分别为第一腔室、第二腔室、第三腔室和第四腔室，垂直于第二腔室侧壁向内开设有第一槽口；
所述陀螺仪模块设置于第一腔室；
所述直线振动电机前端设置于第一隔离层后壁；所述压力传感器与直线振动电机的后壁贴合设置；
所述传振构件从第一槽口嵌入笔壳，并且传振构件的前端与所述压力传感器的后端贴合设置，传振构件通过限位构件连接至第二隔离层上；
所述控制模块与书写端通信模块设置在第三腔室内；
所述电池设置在第四腔室。
进一步的，所述传振构件外侧壁设置有与手指匹配的凹槽。
进一步的，所述限位构件为弹簧。
进一步的，所述笔壳前端为圆弧状尖头。
基于权利要求所述的带书写触感的电子笔的实现方法，其特征在于：
包括如下步骤：
S1：以陀螺仪模块为原点生成三维坐标系(x,y,z)；
S2：所述三维坐标系的x轴、y轴生成第一虚拟平面M，并沿z轴正方向生成平行于第一虚拟平面M的第二虚拟平面M′，第一虚拟平面M和第二虚拟平面M′距离为H，其中，H为第一预设常数；
S3：根据陀螺仪模块提供的书写端在x、y、z方向上的加速度以及航向角计算陀螺仪模块在三维坐标系的实际坐标(x′,y′,z′)；
S4：通过z′值判断实际坐标(x′,y′,z′)是否处在第一虚拟平面M和第二虚拟平面M′所组成的空间：
a.当z′＞且z′＜H时，所述直线振动电机工作，直线振动电机沿z轴负方向产生相应的压力F，并推动传振构件，压力传感器获取F的大小并传输至控制模块，控制模块根据F控制直线振动电机，使压力数据F和实际坐标(x′,y′,z′)中的z′满足关系：F＝k*z′，其中，k为第二预设常数；
控制模块通过书写端通信模块向电脑端发送实际坐标(x′,y′,z′)，电脑端将实际坐标(x′,y′,z′)中的x′、y′、z′值取出并分别转换成鼠标左移、右移的标准控制编码，并将标准控制编码以及z′值传输至外部计算机，外部计算机根据鼠标左移、右移的标准控制编码控制鼠标光标的移动，并在屏幕上显示鼠标光标移动轨迹，以光标移动的轨迹作为书写的笔迹，同时外部计算机通过z′值调整屏幕上笔迹的粗细和笔锋的力度；
b.当z′＞H或z′＜时，直线振动电机未工作，控制模块将x′,y′值取出并与第三预设常数z″组成虚拟坐标(x′,y′,z″)，控制模块通过书写端通信模块向电脑端发送虚拟坐标(x′,y′,z″)，电脑端将虚拟坐标(x′,y′,z″)中的x′,y′值取出并分别转换成鼠标左移、右移的标准控制编码，并将标准控制编码以及z″值传输至外部计算机，外部计算机根据鼠标左移、右移的标准控制编码控制鼠标光标的移动，但不在屏幕上显示鼠标书写轨迹，将陀螺仪模块沿y轴负方向甩动，实现鼠标左键的点击功能，其中，z″的绝对值|z″|＞H。
有益效果：
本发明结构紧凑，便于携带和移动；使用者在使用本手写笔书写时，通过直线振动电机有实时反馈的触感作用在使用者手指上，因此可以获得真实的书写触感；外部计算机通过陀螺仪模块在x、y方向上的移动得到笔迹，并通过陀螺仪模块在z方向上的移动调整笔迹的粗细以及笔锋的力度，书写效果好，可获得使用者习惯的手写效果；而当陀螺仪模块不在第一虚拟平面M和第二虚拟平面M′之间时，外部计算机不显示鼠标光标轨迹，手写笔仅可以移动鼠标光标，实现无线鼠标的功能。
附图说明
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明，其中:
图1是本发明的电路结构原理图；
图2是本发明具体实施例书写端的结构图；
图3是本发明实现方法示意图。
图中标号：101-笔壳；102-电池；103-书写端通信模块；104-控制模块；105-限位构件；106-传振构件；107-压力传感器；108-直线振动电机；109-陀螺仪模块；110-第一腔室；111-第一隔离层；112-凹槽；113-第一槽口；114-第二腔室；115-第二隔离层；116-第三腔室；117-第三隔离层；118-第四腔室。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
如图1所示，带书写触感的电子笔，包括书写端及电脑端；
书写端包括：用于获取陀螺仪模块109及压力传感器107的数据、控制直线振动电机108并通过书写端通信模块103与外部通信的控制模块104，控制模块104包括书写端微处理器、采样电路、通信接口以及电机驱动电路；
用于获取书写端的俯仰角、航向角以及书写端各个方向上加速度的陀螺仪模块109；
用于对使用者手指产生触感直线振动电机108；
用于获取直线振动电机108所产生触感的压力大小并传输至控制模块104的压力传感器107；
用于与电脑端通信模块进行通信的书写端通信模块103；
用于给书写端供电的电池102；
电脑端包括：用于与书写端通信模块103进行通信的电脑端通信模块，用于接收电脑端通信模块数据并传输至计算机的电脑端微处理器。
采样电路的输入端连接至压力传感器107输出端，采样电路的输出端连接至书写端微处理器；通信接口的输入端连接至书写端微处理器，通信接口的输出端连接至书写端通信模块103的输入端；电机驱动电路的输入端连接至书写端微处理器，电机驱动电路的输出端连接至直线振动电机108的输入端；陀螺仪模块109、书写端通信模块103、控制模块104分别连接至电池102，通过电池102进行供电。
电脑端通信模块通过无线方式连接至书写端通信模块103，电脑端通信模块输出端连接至电脑端微处理器，电脑端微处理器通过USB接口或者PS2接口连接至计算机。
图2为书写端的具体实施例，书写端的控制模块104、陀螺仪模块109、压力传感器107、直线振动电机108、书写端通信模块103以及电池102设置在一笔壳101内，笔壳101整体为均匀的中空圆柱，笔壳101的前后两端封闭，前端为圆弧状尖头结构，在所述笔壳101内，沿笔头向笔尾设置有第一隔离层111、第二隔离层115和第三隔离层117，通过三个隔离层沿笔头向笔尾将笔壳101内部分为第一腔室110、第二腔室114、第三腔室116和第四腔室118，垂直于第二腔室114侧壁向内开设有供手指握持以及感受直线振动电机108所产生触感的第一槽口113，第一槽口113尺寸与握持笔壳101处的手指尺寸相当，第一槽口113的长度小于第一隔离层111和第二隔离层115之间的距离。
陀螺仪模块109固定设置于第一腔室110的前端；直线振动电机108前端固定设置于第一隔离层111后端，压力传感器107设置在直线振动电机108的后端，为了让使用者在使用手写笔时能对直线振动电机108所产生的触感有更良好的感受，在第二腔室114内设置有传振构件106和限位构件105，传振构件106为均匀圆柱体加工而成，其长度等于或略小于第一槽口113前端至后端的长度，其直径略小于第二腔室114内部的直径，因此传振构件106可沿笔壳101的前端至后端方向在第二腔室114自由滑动，在传振构件106外侧壁开设有沿后端向前端倾斜的与手指匹配的凹槽112，使用者握持手写笔时，手指的前端顶在凹槽112的前端，将传振构件106未开槽的一侧从第一槽口113嵌入第二腔室114内，传振构件106的底端与压力传感器107的顶端贴合，传振构件106的顶端通过限位构件105连接至第二隔离层115上，限位构件105用于稳定传振构件106并在传振构件106被直线振动电机108顶压位移时回位，限位构件105可采用一限位弹簧，传振构件106被直线振动电机108沿前端向后端顶压时，限位弹簧被压缩，产生后端向前端的弹力；控制模块104与书写端通信模块103设置在第三腔室116内；电池102设置在第四腔室118内，采用可拆卸的锂电池或者是干电池。
参照图2，本实施例中，陀螺仪模块109设置于笔壳101笔尖的第一腔室110内，因此陀螺仪模块109获取的是笔壳101笔尖处的俯仰角、航向角以及各个方向上的加速度，陀螺仪模块109设置在笔壳101笔尖可以使控制模块104以及计算机软件的后续处理中，是依据书写端笔尖的数据进行计算，与人在使用墨水笔进行书写时的感觉一致，从而可获取更为真实的书写感受；而且外部环境的粉尘可能会经第一槽口113进入第二腔室114内，因此第一隔离层111和第二隔离层115将陀螺仪模块109、控制模块104和书写端通信模块103与第二腔室114分离，避免粉尘对陀螺仪模块109以及控制模块104、书写端通信模块103造成影响，同时便于清理。
参照图3，笔壳101前端为A点，后端为B点，A点在水平面上的投影点为A′，B点在水平面上的投影为B′，电脑端与外部计算机相连接，外部计算机连接有屏幕，手写笔的工作方法如下：
S1).在控制模块104内，以A点为原点生成三维坐标系并存储在控制模块104内，以通过A点并平行于A′B′的直线作为三维坐标系的z轴，z轴正方向为B′A′方向；以AA′所在的直线作为三维坐标系的y轴，y轴正方向为A′A方向；以通过A点并分别垂直于A′B′、AA′的直线作为三维坐标系的x轴，x轴正方向为分别垂直于A′B′、AA′向右；
S2).以三维坐标系的x轴、y轴生成第一虚拟平面M，沿B′A′方向生成平行于第一虚拟平面M的第二虚拟平面M′，第一虚拟平面M和第二虚拟平面M′距离为H，其中，H为第一预设常数；
S3).陀螺仪模块109实时采集A点在x、y、z方向上的加速度a以及航向角β，并传输至控制模块104，控制模块104根据陀螺仪模块109提供的书写端在x、y、z方向上的加速度以及航向角计算陀螺仪模块109在三维坐标系的实际坐标(x′,y′,z′)；
S4).控制模块104根据z′值判断实际坐标(x′,y′,z′)是否处在第一虚拟平面M和第二虚拟平面M′所组成的空间内：
a).当z′＞0且z′＜H时，实际坐标(x′,y′,z′)处在第一虚拟平面M和第二虚拟平面M′所组成的空间内，直线振动电机108工作，直线振动电机108沿笔壳101前端向后端方向振动顶压，产生一个压力F并推动传振构件106，使用者手指感受到触感，压力传感器107采集直线振动电机108产生的压力F并反馈至控制模块104，控制模块104根据压力F控制直线振动电机108产生的触感强度，使压力数据F和实际坐标(x′,y′,z′)中的z′满足关系：F＝k*z′，即F的大小与z′成正比，从而通过F的大小产生接近真实的书写触感，其中，k为第二预设常数，k的值越大，则触感越明显；
同时控制模块104通过书写端通信模块103向电脑端发送实际坐标(x′,y′,z′)，电脑端取出x′值和y′值分别转换成鼠标左移、右移的标准控制编码，并将标准控制编码以及z′值传输至外部计算机，外部计算机软件接收到z′值后，获取和显示鼠标光标移动的轨迹，根据标准控制编码控制鼠标光标的移动，通过屏幕显示光标移动的轨迹，以光标移动的轨迹作为书写的笔迹，通过z′值控制笔迹的粗细和笔锋的力度，因此使用者在z方向上移动手写笔而获得接近使用者日常的书写效果；
b).当z′＞H或z′＜0时，实际坐标(x′,y′,z′)不在第一虚拟平面M和第二虚拟平面M′所组成的空间内，直线振动电机108未工作，此时使用者手指感受不到触感；
同时控制模块104提取实际坐标(x′,y′,z′)内的x′值和y′值，并将x′值、y′值与第三预设常数z″组成虚拟坐标(x′,y′,z″)，通过书写端通信模块103向电脑端发送虚拟坐标(x′,y′,z″)，电脑端将虚拟坐标(x′,y′,z″)的x′,y′值取出并分别转换成鼠标左移、右移的标准控制编码，并将标准控制编码以及z″值传输至外部计算机，外部计算机接收到z″值后，不获取和显示鼠标光标移动的轨迹，仅根据标准控制编码控制鼠标光标的移动，此时与屏幕没有笔迹显示，手写笔为无线鼠标的功能，将陀螺仪模块109快速沿y轴负方向甩动实现鼠标左键的点击功能，其中，z″的绝对值|z″|＞H，z″相当于一个屏蔽鼠标光标显示的信号。
本手写笔结构紧凑，便于携带和移动；使用者在使用本手写笔书写时，通过直线振动电机108有实时反馈的触感作用在使用者手指上，可以获得真实的书写触感；计算机通过陀螺仪模块104在x、y方向上的移动得到相应的笔迹，并通过陀螺仪模块104在z方向上的移动调整笔迹的粗细以及笔锋的力度，书写效果好，可获得使用者习惯的手写效果；而当陀螺仪模块104不在第一虚拟平面M和第二虚拟平面M′之间时，外部计算机不显示鼠标光标轨迹，手写笔仅移动鼠标光标，实现无线鼠标的功能。
需要说明的是，以上所述只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.带书写触感的电子笔，其特征在于：
包括书写端和电脑端；
所述书写端包括控制模块(104)、陀螺仪模块(109)、用于对手指产生触感的直线振动电机(108)、用于获取直线振动电机(108)所产生触感压力大小的压力传感器(107)、用于在直线振动电机(108)的作用下产生位移并传导触感的传振构件(106)、用于稳定传振构件(106)并使传振构件(106)产生位移时回位的限位构件(105)以及书写端通信模块(103)；
所述陀螺仪模块(109)的输出端连接至控制模块(104)；所述直线振动电机(108)的输入端连接至控制模块(104)；所述传振构件(106)与直线振动电机(108)贴合；所述限位构件(105)固定于书写端并与传振构件(106)连接；所述压力传感器(107)设置在直线振动电机(108)与限位构件(105)之间，所述压力传感器(107)的输出端连接至控制模块(104)；所述书写端通信模块(103)连接至所述控制模块(104)，所述书写端通信模块与电脑端无线连接；
所述电脑端包括电脑端通信模块和电脑端微处理器；
电脑端通信模块与书写端通信模块(103)无线连接，电脑端通信模块还连接至电脑端微处理器，电脑端微处理器连接至外部计算机；
带书写触感的电子笔的实现方法，包括如下步骤：
S1：以陀螺仪模块(109)为原点生成三维坐标系(x,y,z)；
S2：所述三维坐标系的x轴、y轴生成第一虚拟平面M，并沿z轴正方向生成平行于第一虚拟平面M的第二虚拟平面M′，第一虚拟平面M和第二虚拟平面M′距离为H，其中，H为第一预设常数；
S3：根据陀螺仪模块(109)提供的书写端在x、y、z方向上的加速度以及航向角计算陀螺仪模块(109)在三维坐标系的实际坐标(x′,y′,z′)；
S4：通过z′值判断实际坐标(x′,y′,z′)是否处在第一虚拟平面M和第二虚拟平面M′所组成的空间：
a.当z′＞0且z′＜H时，所述直线振动电机(108)工作，直线振动电机(108)沿z轴负方向产生相应的压力F，并推动传振构件(106)，压力传感器(107)获取F的大小并传输至控制模块(104)，控制模块(104)根据F控制直线振动电机(108)，使压力数据F和实际坐标(x′,y′,z′)中的z′满足关系：F＝k*z′，其中，k为第二预设常数；
控制模块(104)通过书写端通信模块(103)向电脑端发送实际坐标(x′,y′,z′)，电脑端将实际坐标(x′,y′,z′)中的x′、y′、z′值取出并分别转换成鼠标左移、右移的标准控制编码，并将标准控制编码以及z′值传输至外部计算机，外部计算机根据鼠标左移、右移的标准控制编码控制鼠标光标的移动，并显示鼠标光标移动轨迹，以光标移动的轨迹作为书写的笔迹，同时外部计算机通过z′值调整屏幕上笔迹的粗细和笔锋的力度；
b.当z′＞H或z′＜0时，直线振动电机(108)未工作，控制模块(104)将x′,y′值取出并与第三预设常数z″组成虚拟坐标(x′,y′,z″)，控制模块(104)通过书写端通信模块(103)向电脑端发送虚拟坐标(x′,y′,z″)，电脑端将虚拟坐标(x′,y′,z″)中的x′,y′值取出并分别转换成鼠标左移、右移的标准控制编码，并将标准控制编码以及z″值传输至外部计算机，外部计算机根据鼠标左移、右移的标准控制编码控制鼠标光标的移动，但不在屏幕上显示鼠标书写轨迹，将陀螺仪模块(109)沿y轴负方向甩动，实现鼠标左键的点击功能，其中，z″的绝对值|z″|＞H。
2.如权利要求1所述的带书写触感的电子笔，其特征在于：
所述控制模块(104)包括书写端微处理器、采样电路、通信接口、电机驱动电路；
所述压力传感器(107)的输出端连接至采样电路的输入端，所述采样电路的输出端连接至书写端微处理器；
所述电机驱动电路在所述书写端微处理器的控制下驱动所述直线振动电机(108)产生振动；
所述书写端通信模块(103)的输入端连接至通信接口的输出端，通信接口的输入端连接至书写端微处理器；
所述陀螺仪模块(109)的输出端连接至书写端微处理器。
3.如权利要求1或2所述的带书写触感的电子笔，其特征在于：所述书写端还包括电池(102)，所述电池(102)为所述控制模块(104)、陀螺仪模块(109)和书写端通信模块(103)供电。
4.如权利要求3所述的带书写触感的电子笔，其特征在于：
所述书写端还包括中空的笔壳(101)；
所述控制模块(104)、书写端通信模块(103)、陀螺仪模块(109)、直线振动电机(108)、压力传感器(107)、传振构件(106)、限位构件(105)、电池(102)设置在笔壳(101)内。
5.如权利要求4所述的带书写触感的电子笔，其特征在于：
沿笔头向笔尾方向在所述笔壳(101)设置有3个隔离层，所述3个隔离层分别为第一隔离层(111)、第二隔离层(115)和第三隔离层(117)；通过3个隔离层将所述笔壳(101)内分为4个腔室，所述4个腔室分别为第一腔室(110)、第二腔室(114)、第三腔室(116)和第四腔室(118)，垂直于第二腔室(114)侧壁向内开设有第一槽口(113)；
所述陀螺仪模块(109)设置于第一腔室(110)；
所述直线振动电机(108)前端设置于第一隔离层(111)后壁；
所述压力传感器(107)与直线振动电机(108)的后壁贴合设置；
所述传振构件(106)从第一槽口(113)嵌入笔壳(101)，并且传振构件(106)的前端与所述压力传感器(107)的后端贴合设置，传振构件(106)通过限位构件(105)连接至第二隔离层(115)上；所述控制模块(104)与书写端通信模块(103)设置在第三腔室(116)内；
所述电池(102)设置在第四腔室(118)。
6.如权利要求1或2所述的带书写触感的电子笔，其特征在于：所述传振构件(106)外侧壁设置有与手指匹配的凹槽(112)。
7.如权利要求1或2所述的带书写触感的电子笔，其特征在于：所述限位构件(105)为弹簧。
8.如权利要求4或5所述的带书写触感的电子笔，其特征在于：所述笔壳(101)前端为圆弧状尖头。
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