CN110164238B - 一种用于书法训练的智能系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于书法训练的智能系统及工作方法，该系统包括电动机械装置、力传感器、万向接头、笔、计算机和显示器。力传感器固定在电动机械装置的运动端上，笔通过万向接头与力传感器连接，笔可绕万向接头做三维旋转；该装置分为两种工作模式：1)，标准字轨迹录入模式；2)，外力辅助练字模式；本发明系统可以记录和存储写字人在写字过程中笔尖的位移、速度、加速度，既包含所写字的笔画也包含两个连续笔画间的笔尖运行轨迹。本系统能够感受在写字人写字过程中的发力情况，并通过对比标准笔尖运行轨迹，对写字人的写字手臂施加修正外力，提高练字效率。

Description

一种用于书法训练的智能系统及工作方法

技术领域

本发明属于书法训练技术领域，具体涉及一种用于书法训练的智能系统及工作方法，系统可对写字人书写过程中笔尖轨迹进行记录和存储，对练字过程中练字者的握笔手施加外力，修正练字者不正确的“肌肉记忆”来提高练字效率。

背景技术

现有练字工具或方法均是以临摹字帖作为基础的。所临摹字帖仅仅存储了字帖书写人写字笔尖在纸面的文字轨迹信息，而对书写文字过程中笔尖的全部轨迹运行信息并没有记录，字帖本身缺乏了书法训练所需的笔尖在两个连续笔画之间的空中轨迹及笔尖在书写过程中的其他运动信息如速度、加速度。另外，目前还没有出现在写字过程中利用智能机器施加外力修正写字人运笔发力习惯的书法训练工具。

发明内容

已有练习工具或方法中还未出现利用智能机器对写字人的手臂施加外力修正练字人发力习惯的系统，本发明的目的在于提供一种在练字人写字过程中通过对写字人所使用的笔施加外力重塑写字运笔发力动作获得标准写字“肌肉记忆”的用于书法训练的智能系统及工作方法。

为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于书法训练的智能系统，该系统包括依次连接的电动机械装置1、力传感器2、万向接头3和笔4，与电动机械装置1和力传感器2连接的计算机5，与计算机5连接的显示器6；所述的电动机械装置1包括一个固定台架1A和一个相对固定台架1A能进行机械运动的运动端1B，该电动机械装置1能够接受来自计算机5的控制指令，并根据控制指令调节运动端1B相对于固定台架1A坐标系的位移、速度和加速度，且该电动机械装置1能够将运动端(1B)的位移、速度和加速度信息实时传输给计算机。

所述力传感器2由一个二维力传感器和一个三维力传感器构成，二维力传感器的固定端与三维力传感器的固定端刚性连接形成共有端2C，二维力传感器受力端2A-1和电动机械装置的运动端1B刚性连接，二维力传感器的二维力测量方向在电动机械装置的运动端1B活动的水平面内。

所述万向接头3分为基座3A、活动端3B和旋转端3C，基座上有圆孔，活动端3B为一插于基座圆孔的圆柱，能够在基座圆孔内一维伸缩滑动并可在基座圆孔内360度旋转，旋转端3C与活动端3B上部连接且相对于活动端(3B)能够做三维旋转，基座3A固定在力传感器2的三维力传感器受力端2B上，活动端3B能够在垂直于水平面的方向上下滑动且有行程上下限。

该运动端1B可在二维水平面运动。

所述力传感器2由两个三维力传感器构成，两个三维力传感器的固定端刚性连接形成共有端2C，一个三维力传感器受力端2A-2和电动机械装置的运动端1B刚性连接。

所述万向接头3分为基座3A、活动端3B和旋转端3C，基座上有圆孔，活动端3B为一插于基座圆孔的圆柱，相对于基座不可做一维伸缩滑动但能够在基座圆孔内做360度旋转，旋转端3C与活动端3B上部连接且相对于活动端3B能做三维旋转；万向接头的基座3A与不和电动机械装置运动端(1B)连接的三维力传感器受力端2B刚性连接。

所述电动机械装置的运动端1B能够在三维空间运动，包括二维水平方向运动和竖直方向，各方向位移具有上下限制。

所述笔4包括相连接的笔尖4A和笔杆4B，笔尖4A由弹性物质构成，笔尖4A与万向接头的旋转端3C连接，笔尖4A相对于笔杆4B的中轴线能够360度旋转。

所述的一种用于书法训练的智能系统的工作方法，分为如下两种工作模式：工作模式1，写字人运笔发力写字时笔尖下压，计算机5根据力传感器2所受竖直方向上的压力判断笔画的起始和终止位置以及笔尖在两个连续笔画间空中轨迹的起始和终止位置；计算机5根据力传感器2感知的写字人运笔发力的大小、方向及电动机械装置1的运动端1B的运动状态信息计算控制指令，并给所述电动机械装置1发出指令调节电动机械装置运动端1B的位移、速度和加速度，使笔4对力传感器2的作用力在笔尖位移方向上的分量减小到设定值以下，从而使运动端1B对写字人所用笔的笔尖4A位置进行随动跟踪并存储笔尖运行过程中的轨迹、速度和加速度，笔尖轨迹既包括笔画轨迹也包括连接两个连续笔画之间的空中轨迹；当系统根据实际笔尖轨迹判断当前字书写完成时，计算机5发出指令使运动端1B回到初始位置；工作模式2，显示器6显示标准字笔尖轨迹，写字人根据标准字笔尖轨迹写字，在写字人写字运笔发力的同时，计算机5根据已存储的标准字笔尖运行轨迹、速度、加速度、力传感器反馈的当前写字人用力信息及电动机械装置运动端1B的运动信息，发出控制指令给电动机械装置1，使其运动端1B对笔4施加力，用以修正笔尖运行轨迹、速度和加速度；在此过程中，运动端1B对笔4施加的力通过笔传给写字人的发力手臂，达到对写字人的不正确运笔发力习惯矫正的目的，重塑写字人写字“肌肉记忆”；写字人停止写字运笔发力时，计算机5根据力传感器2的反馈信息发出控制指令给电动机械装置1，使其运动端1B停止对笔4发力；当系统根据实际笔尖轨迹判断当前字书写完成时，计算机5发出指令使运动端1B回到初始位置；在写字过程中系统记录笔在所写字轨迹中的每一处受力信息。

所述计算机5对标准字笔尖轨迹能够进行容错范围设定，计算机5发出控制指令使电动机械装置的运动端1B施加外力使练字过程中笔尖运行轨迹位于当前标准字笔尖轨迹的容错区域内，计算机能够将获得的笔尖运行轨迹传输给显示器6并由其显示。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

本发明系统可以记录和存储写字人在写字过程中笔尖的位移、速度、加速度，既包含所写字的笔画也包含两个连续笔画间的笔尖运行轨迹。本系统能够感受在写字人写字过程中的发力情况，并通过对比标准笔尖运行轨迹，对写字人的写字手臂施加修正外力，提高练字效率。

附图说明

图1为本发明的系统硬件平台示意图。

图2为本发明的力传感器示意图，其中：图2a为由一个二维力传感器和一个三维力传感器构成力传感器示意图，图2b为由两个三维力传感器构成力传感器示意图。

图3为本发明部件连接示意图，其中：图3a为由一个二维力传感器和一个三维力传感器构成力传感器及其它部件连接示意图，图3b为由两个三维力传感器构成力传感器及其它部件连接示意图。

图4为本发明工作模式1控制方框图。

图5为本发明工作模式2控制方框图。

图6为本发明笔画轨迹容错分级示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

原理说明：

实施例1：

如图1所示，本实施例一种用于书法训练的智能系统及工作方法，该系统包括电动机械装置1、力传感器2、万向接头3、笔4、计算机5和显示器6。图中1A为电动机械装置的固定台架，1B为其运动端。运动端1B能在图所在二维平面内运动。电动机械装置1接受来自计算机5的控制指令，并根据指令控制运动端1B相对于固定台架1A坐标系的位移、速度和加速度，且该电动机械装置1能够将其运动端1B的位移、速度和加速度信息实时传输给计算机5。图1所示的力传感器2由一个二维力传感器和一个三维力传感器构成。如图2中图2a所示，二维力传感器的固定端与三维力传感器的固定端刚性连接成为共有端2C。如图3中图3a所示，二维力传感器受力端2A-1和电动机械装置的运动端1B刚性连接。万向接头分为基座3A、活动端3B和旋转端3C，基座上有圆孔，活动端3B为一插于基座圆孔的圆柱，可在基座圆孔内做一维竖直伸缩滑动并可在基座圆孔内360度旋转，旋转端3C与活动端3B上部连接且相对于活动端3B可做三维旋转，三维力传感器受力端2B和万向接头的基座3A刚性连接。笔的笔尖4A与万向接头的旋转端3C连接在一起，笔尖4A相对于笔杆4B的中轴线可以360度旋转。

本实施例系统处于工作模式1时：如图4所示，写字人写字运笔发力时，手臂发力通过笔尖4A、万向接头3、力传感器2作用到电动机械装置的运动端1B上。当笔尖4A下压时，力传感器2输出力信号。计算机5作为控制器接收上述力信号用于判断笔画在二维平面的起始和终止位置以及笔尖在两个连续笔画间空中轨迹的起始和终止位置。计算机5作为控制器根据力传感器2感知的综合受力状态共有端2C所受力及运动端1B当前运动状态位置、速度、加速度，给所述电动机械装置1发出指令，调节电动机械装置运动端1B的二维位移、速度、加速度方向及大小，使运动端1B所受来自写字人的发力在其运动二维平面上的分量小于设定值，从而实现对写字人所用笔的笔尖4A二维位置的随动跟踪，同时存储笔尖4A运行过程中的二维轨迹、速度和加速度，所述笔尖轨迹既包括二维笔画轨迹也包括笔画之间的空中轨迹二维投影。当系统根据实际笔尖轨迹判断当前字书写完成时，计算机5发出指令使运动端1B回到初始位置。

本实施例系统处于工作模式2时：如图5所示，在写字人写字运笔发力的同时，计算机5作为控制器，根据已存储的标准字笔尖运行轨迹、速度、加速度、力传感器感知的综合受力状态共有端2C所受力及运动端1B的位移、速度和加速度信息，发出控制指令给电动机械装置1，使其调整运动端1B的位移、速度和加速度使笔尖4A受修正力，该力用以修正笔尖4A运行轨迹、速度和加速度，使笔尖始终处于标准字轨迹容错区域内，以便达到对写字人的不正确运笔发力习惯矫正的目的，重塑写字人写字“肌肉记忆”，写字人停止写字运笔发力时，计算机5发出控制指令给电动机械装置，使其运动端停止对笔发力。当系统根据实际笔尖轨迹判断当前字书写完成时，计算机5发出指令使运动端1B回到初始位置。在写字过程中系统记录笔在所写字轨迹中的每一处受力信息。如图6所示，对标准字轨迹7可进行不同等级如范围7A、7B和7C的容错范围设定，计算机5作为控制器发出控制指令使电动机械装置1的运动端1B施加外力使练字过程中笔尖运行轨迹位于当前标准轨迹的容错区域内。

实施例2：

如图1所示，本实施例一种用于书法训练的智能系统，该系统包括电动机械装置1、力传感器2、万向接头3、笔4、计算机5和显示器6。图中(1A)为电动机械装置的固定台架，1B为其运动端。运动端1B既能在图所在二维平面内运动，也能在与此二维平面垂直的方向运动。电动机械装置1接受来自计算机5的控制指令，并根据指令控制运动端1B相对于固定台架1A坐标系的位移、速度和加速度，且该装置能够将其运动端1B的位移、速度和加速度信息实时传输给计算机5。图1所示的力传感器2由两个三维力传感器构成。如图2中图2b所示，两个三维力传感器的固定端刚性连接成为共有端2C。如图3中图3b所示，一个三维力传感器受力端2A-2和电动机械装置1的运动端1B刚性连接，另一个三维力传感器受力端2B和万向接头基座3A连接，此例中万向接头活动端3B可在万向接头基座的圆孔内做周向360度旋转但无法做轴向滑动，笔的笔尖4A与万向接头3的旋转端3C连接在一起。

系统处于工作模式1时：如图4所示，提前设定一个运动端1B的二维运动平面代表写字纸面，即运动端1B竖直方向上的运动不能低于此二维平面，初始状态运动端1B位于此平面内。写字人写字运笔发力时，手臂发力通过笔尖4A、万向接头3、力传感器2作用到电动机械装置的运动端1B上。当笔尖4A下压使力传感器2受到运动端1B的竖直力作用并输出信号。计算机5作为控制器接收上述力信号用于判断笔画在设定的二维平面的起始和终止位置以及笔尖在两个连续笔画间空中轨迹的起始和终止位置。当运动端处于上述设定二维平面时，即写字人在书写笔画时，计算机5作为控制器根据力传感器2传输的综合受力状态及运动端1B当前位置、速度和加速度，给所述电动机械装置1发出指令，调节电动机械装置运动端1B的位移、速度、加速度方向及大小，使运动端1B所受来自写字人的发力在上述设定二维平面上的分量小于设定值，从而实现对写字人所用笔的笔尖4A二维位置的随动跟踪，同时存储笔尖4A运行过程中的二维轨迹、速度和加速度。当写字人写完一个笔画抬笔使笔尖移动向下一个笔画的开端过程中，计算机5作为控制器根据力传感器2上三维力传感器感知的写字人运笔发力的大小、方向反馈及运动端1B当前位置、速度和加速度，给所述电动机械装置1发出指令，调节电动机械装置运动端1B的三维位移、速度、加速度方向及大小，使运动端1B所受来自写字人的发力小于设定值，从而实现对写字人所用笔的笔尖4A三维位置的随动跟踪，同时存储笔尖4A运行过程中的三维轨迹、速度和加速度。当系统根据实际笔尖轨迹判断当前字书写完成时，计算机5发出指令使运动端1B回到初始位置。当一个字写完后，系统记录了笔尖在所设置平面的二维轨迹和各笔画间笔尖移动的三维轨迹。

系统处于工作模式2时：如图5所示，在写字人写字运笔发力的同时，计算机5作为控制器根据已存储的标准字笔尖运行轨迹、速度、加速度、力传感器传输的综合力信息及运动端1B的位移、速度、加速度，发出控制指令给电动机械装置1，使其调整运动端的位移、速度和加速度，对笔4的笔尖4B施加力，用以修正笔尖运行轨迹、速度和加速度，使笔尖始终处于标准字轨迹容错区域内，以便达到对写字人的不正确运笔发力习惯矫正的目的，重塑写字人写字“肌肉记忆”，写字人停止写字运笔发力时，计算机发出控制指令给电动机械装置，使其运动端停止对笔发力，在写字过程中系统记录笔在所写字轨迹中的每一处受力信息。当系统根据实际笔尖轨迹判断当前字书写完成时，计算机5发出指令使运动端1B回到初始位置。如图6所示，对标准字轨迹7可进行不同等级如范围7A、7B和7C的容错范围设定，计算机5作为控制器发出控制指令使电动机械装置1的运动端1B施加外力使练字过程中笔尖运行轨迹位于当前标准轨迹的容错区域内。写字人停止写字运笔发力时，计算机5发出控制指令给电动机械装置1，使其运动端1B停止对笔发力。

Claims (8)

1.一种用于书法训练的智能系统，其特征在于：该系统包括依次连接的电动机械装置(1)、力传感器(2)、万向接头(3)和笔(4)，与电动机械装置(1)和力传感器(2)连接的计算机(5)，与计算机(5)连接的显示器(6)；

所述的电动机械装置(1)包括一个固定台架(1A)和一个相对固定台架(1A)能进行机械运动的运动端(1B)，该电动机械装置(1)能够接受来自计算机(5)的控制指令，并根据控制指令调节运动端(1B)相对于固定台架(1A)坐标系的位移、速度和加速度，且该电动机械装置(1)能够将运动端(1B)的位移、速度和加速度信息实时传输给计算机；

所述力传感器(2)由一个二维力传感器和一个三维力传感器构成，二维力传感器的固定端与三维力传感器的固定端刚性连接形成共有端(2C)，二维力传感器受力端(2A-1)和电动机械装置的运动端(1B)刚性连接，二维力传感器的二维力测量方向在电动机械装置的运动端(1B)活动的水平面内；

所述万向接头(3)分为基座(3A)、活动端(3B)和旋转端(3C)，基座上有圆孔，活动端(3B)为一插于基座圆孔的圆柱，能够在基座圆孔内一维伸缩滑动并可在基座圆孔内360度旋转，旋转端(3C)与活动端(3B)上部连接且相对于活动端(3B)能够做三维旋转，基座(3A)固定在力传感器(2)的三维力传感器受力端(2B)上，活动端(3B)能够在垂直于水平面的方向上下滑动且有行程上下限。

2.根据权利要求1所述的一种用于书法训练的智能系统，其特征在于：所述电动机械装置的运动端(1B)可在二维水平面运动。

3.根据权利要求1所述的一种用于书法训练的智能系统，其特征在于：所述力传感器(2)由两个三维力传感器构成，两个三维力传感器的固定端刚性连接形成共有端(2C)，一个三维力传感器受力端(2A-2)和电动机械装置的运动端(1B)刚性连接。

4.根据权利要求3所述的一种用于书法训练的智能系统，其特征在于：所述万向接头(3)分为基座(3A)、活动端(3B)和旋转端(3C)，基座上有圆孔，活动端(3B)为一插于基座圆孔的圆柱，相对于基座不可做一维伸缩滑动但能够在基座圆孔内做360度旋转，旋转端(3C)与活动端(3B)上部连接且相对于活动端(3B)能做三维旋转；万向接头的基座(3A)与不和电动机械装置运动端(1B)连接的三维力传感器受力端(2B)刚性连接。

5.根据权利要求3所述的一种用于书法训练的智能系统，其特征在于：所述电动机械装置的运动端(1B)能够在三维空间运动，包括二维水平方向运动和竖直方向，各方向位移具有上下限制。

6.根据权利要求2或4所述的一种用于书法训练的智能系统，其特征在于：所述笔(4)包括相连接的笔尖(4A)和笔杆(4B)，笔尖(4A)由弹性物质构成，笔尖(4A)与万向接头的旋转端(3C)连接，笔尖(4A)相对于笔杆(4B)的中轴线能够360度旋转。

7.权利要求1至6任一项所述的一种用于书法训练的智能系统的工作方法，其特征在于：分为如下两种工作模式：工作模式1，写字人运笔发力写字时笔尖下压，计算机(5)根据力传感器(2)所受竖直方向上的压力判断笔画的起始和终止位置以及笔尖在两个连续笔画间空中轨迹的起始和终止位置；计算机(5)根据力传感器(2)感知的写字人运笔发力的大小、方向及电动机械装置(1)的运动端(1B)的运动状态信息计算控制指令，并给所述电动机械装置(1)发出指令调节电动机械装置运动端(1B)的位移、速度和加速度，使笔(4)对力传感器(2)的作用力在笔尖位移方向上的分量减小到设定值以下，从而使运动端(1B)对写字人所用笔的笔尖(4A)位置进行随动跟踪并存储笔尖运行过程中的轨迹、速度和加速度，笔尖轨迹既包括笔画轨迹也包括连接两个连续笔画之间的空中轨迹；当系统根据实际笔尖轨迹判断当前字书写完成时，计算机(5)发出指令使运动端(1B)回到初始位置；工作模式2，显示器(6)显示标准字笔尖轨迹，写字人根据标准字笔尖轨迹写字，在写字人写字运笔发力的同时，计算机(5)根据已存储的标准字笔尖运行轨迹、速度、加速度、力传感器反馈的当前写字人用力信息及电动机械装置运动端(1B)的运动信息，发出控制指令给电动机械装置(1)，使其运动端(1B)对笔(4)施加力，用以修正笔尖运行轨迹、速度和加速度；在此过程中，运动端(1B)对笔(4)施加的力通过笔传给写字人的发力手臂，达到对写字人的不正确运笔发力习惯矫正的目的，重塑写字人写字“肌肉记忆”；写字人停止写字运笔发力时，计算机(5)根据力传感器(2)的反馈信息发出控制指令给电动机械装置(1)，使其运动端(1B)停止对笔(4)发力；当系统根据实际笔尖轨迹判断当前字书写完成时，计算机(5)发出指令使运动端(1B)回到初始位置；在写字过程中系统记录笔在所写字轨迹中的每一处受力信息。

8.根据权利要求7所述的工作方法，其特征在于：所述计算机(5)对标准字笔尖轨迹能够进行容错范围设定，计算机(5)发出控制指令使电动机械装置的运动端(1B)施加外力使练字过程中笔尖运行轨迹位于当前标准字笔尖轨迹的容错区域内，计算机能够将获得的笔尖运行轨迹传输给显示器(6)并由其显示。

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