CN204117092U - 用于矫正握笔姿势的电子手写笔 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于矫正握笔姿势的电子手写笔及方法，该手写笔包括手势检测模块、距离传感模块、陀螺仪、中央处理模块、控制按键、扬声器、供电模块和显示屏，本实用新型检测握笔姿势并根据不同握笔姿势提供不同的矫正建议，实现了智能矫正握笔姿势的功能。本实用新型结合了电子笔与普通书写笔的优点，是一种适用于在纸张上书写的电子手写笔。其结合了电子笔的电气特性和数据存取能力，以及传统笔的便携、自然和纸张书写普适性的优势，通过日常书写过程中的正确姿态引导和错误姿态警告，予学于乐，使得中小学生在平时练习写字过程中，潜移默化地纠正了握笔姿势，且这种纠正过程完全可以在没有家长和老师监督和参与的情况下进行。

Description

用于矫正握笔姿势的电子手写笔

技术领域：

本实用新型涉及一种用于矫正握笔姿势的电子手写笔，具体涉及通过检测手指握笔的姿势以及设定笔的参数检测握笔姿势的正确性，然后通过提供声音和视觉反馈为用户提供矫正建议来实现智能矫正握笔姿势的手写笔及方法。

背景技术：随着电子产品的普及，笔式交互潜移默化地影响着人们的生活，尤其在触摸屏上使用时，用笔输入的方式充分利用了笔的各种固有属性，例如笔的倾斜角、旋转角、方位角以及压力等，因此具有比手指触摸输入拥有输入带宽高、精准度高等优势。在关于人们使用笔时笔的固有属性的各个参数范围已经由Yizhong Xin,Xiaojun Bi,Xiangshi Ren(参考文献：Natural Use Profiles forthe Pen:An Empirical Exploration of Pressure,Tilt,and Azimuth，CHI'12,May5-10,2012,Austin,Texas,USA.)给出，比如人们使用正确姿势书写绘画时的笔倾斜角95％的范围在[47°-77°]之间，因此利用笔的中央处理控制模块存储正确握笔姿势时的笔倾斜角范围，确定在使用笔时倾斜角是否符合该范围，以判断握笔姿势的正确与否是可行的。

但是即使现阶段电子产品普及广泛，学生在学校学习还是以纸质媒介为主，而且练习硬笔书法、绘画等关于教学方面的活动，纸质媒介依然有相当大的优势，与此同时，中小学生的近视率呈上升趋势，这与平时没有养成正确的写字习惯关系紧密。家长和学校迫切希望能够找到一种能够有效纠正写字姿势、防止近视发生的方法，通过矫正握笔姿势来协助纠正写字姿势可以弥补这一需求。目前的矫正笔多通过奇特的外形构造，迫使使用者以固定的姿势握笔达到矫正目的，没有提供智能反馈机制，难以达到彻底矫正握笔姿势的目的。

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型提供一种用于矫正握笔姿势的电子手写笔及方法，其目的是解决在无人监督的情况下，握笔姿势不正确的问题。

技术方案：本实用新型是通过以下技术方案来实现的：

一种用于矫正握笔姿势的电子手写笔，包括笔管，其特征在于：该手写笔包括手势检测模块、距离传感模块、陀螺仪、中央处理模块、控制按键、扬声器、供电模块和显示屏，该手势检测模块位于笔身前端的笔管表面；距离传感模块位于笔管尾端；陀螺仪与中央处理模块设置于笔管的内部；控制按键、扬声器和显示屏位于正确握笔姿势时手指接触不到的位置；手势检测模块、距离传感模块、陀螺仪和控制按键连接至中央处理模块，中央处理模块与扬声器、供电模块和显示屏连接。

利用上述的用于矫正握笔姿势的电子手写笔所实施的矫正方法，其特征在于：该矫正方法的具体步骤如下：

(1)在使用笔书写、绘画等操作时，使用者将笔管握在大拇指、食指、中指之间，手指与手势检测模块相接触，手势检测模块覆盖在笔管前端，手势检测模块为能够检测手指握笔位置的矩阵柔性PCB板，将PCB板布满压力检测器，利用压力检测器检测手指与笔管接触时的电信号并将该信号传送到中央处理模块，利用中央处理模块将通过矩阵柔性PCB矩阵中检测到的手指与柔性PCB矩阵接触位置的中心点(x,y)的数量与各个中心点之间的距离来判断手指在笔管上抓取部位的形状判断握笔姿势是否正确：若检测到的手指与柔性PCB接触的中心点(x,y)的数量不等于3，则说明使用者使用两个、四个或者五个手指握笔，中央处理模块判定握笔姿势错误，由于能够检测到大拇指接触位置的中心点(x_t，y_t)与食指接触位置中心点(x_i，y_i)以及中指接触位置的中心点(x_m，y_m)，其中三个点中任两个点的距离值大于PCB板长度的三分之一的长度则判定书写姿势不正确，同时根据对正确握笔姿势的观察，食指在前，拇指在左后，中指在右下，食指应较拇指低些的正确握笔姿势，可以知道这三个手指在PCB板上的接触位置的关系存在y_t>y_i>y_m,否则判定握笔姿势不正确；

(2)利用距离检测模块内安装的距离传感器检测延笔的中轴线向笔尾方向延长线上的遮挡物与笔尾的距离D，根据距离传感模块发射红外脉冲返回的时间可以计算出D，由公式

D＝CΔt/2    (1)

其中C为红外脉冲传播速度，若D小于15cm则判定写字姿势不正确，检测到红外脉冲从发射到遇到物体反射回来的时间t₁大于中央处理模块所设定的时间t₂，则延笔的中轴线向笔尾方向的延长线上无遮挡物，表明由距离检测模块这一部分处理的握笔姿势正确；而在写字姿势错误的情况下，红外脉冲从发射到遇到物体反射回来的时间t₁小于中央处理模块所设定的时间t₂，则笔尾延长线的(Ct₁/2)cm距离上有遮挡，使用者没有正坐，头部与书写面距离太近等原因会造成遮挡，此距离不会大于15cm，可以计算出t₂为10^-8s，即若t₁大于10^-8s，就可以利用中央处理模块判定使用者的书写姿势错误；

(3)利用陀螺仪检测笔与写字平面的倾斜角，当检测到笔与写字平面的倾斜角α_n在中央处理模块所设定的范围α_l-α_h即47°-77°之内时，则笔在正确的倾斜范围之内，若α_n小于α_l，即47°，则笔过于贴近书写面，若α_n大于α_h即77°，则笔几乎与书写面垂直，此时就利用中央处理模块判定使用者的书写姿势错误，其中α_l为设定标准范围的下限倾斜角，α_h为设定标准范围的上限倾斜角；

(4)若根据以上各模块检测到的数据判断握笔姿势正确，则不需要矫正握笔姿势，当其中任一个环节检测到握笔姿势不正确，就判定握笔姿势不正确，并且当使用者握笔姿势错误时，利用扬声器和显示屏都给出提示，告知使用者目前握笔姿势是错误的，并且根据当前握笔姿势的错误给出正确握笔姿势的一些矫正建议，并针对不同的错误握笔姿势会给出不同的建议；

(5)使用者通过控制按键开启、关闭矫正握笔姿势的手写笔的电源，并且在不想使用扬声器的时候关闭扬声器。

该柔性PCB板的长度为笔管全长的30％，位于从距笔尖10％到距笔尖40％的位置，宽度为根据绕笔一周的长度并且由笔杆的粗细决定，即该板将此段位置的笔管全部包围。

优点及效果：

本实用新型提供一种用于矫正握笔姿势的电子手写笔及方法，该手写笔包括手势检测模块、距离传感模块、陀螺仪、中央处理模块、控制按键、扬声器、供电模块和显示屏，本实用新型检测握笔姿势并根据不同握笔姿势提供不同的矫正建议，实现了智能矫正握笔姿势的功能。

本实用新型结合了电子笔与普通书写笔的优点，是一种适用于在纸张上书写的电子手写笔。其结合了电子笔的电气特性和数据存取能力，以及传统笔的便携、自然和纸张书写普适性的优势，通过日常书写过程中的正确姿态引导和错误姿态警告，予学于乐，使得中小学生在平时练习写字过程中，潜移默化地纠正了握笔姿势，且这种纠正过程完全可以在没有家长和老师监督和参与的情况下进行。

本实用新型具体优点如下：

(1)利用多自由度笔的固有属性信息来监测用户用笔情况，充分利用笔的多种固有参数。

(2)在不需要其他人干预的情况下，能够监督学生的握笔情况。

(3)具有智能性，更加人性化，能够对不正确的握笔姿势给出不同的提示，可以通过控制按键，选择扬声器是否给予语音提示，与此同时显示屏上给出正确握笔姿势的建议。

(4)操作方便，与平时正常在纸上书写一致，在平时使用普通笔写字的情况下，转换使用该矫正笔后，学习周期短。

(5)考虑因素全面，将手指握在笔的位置、手握住笔时与书写面所形成的倾斜角、头部或其他物体与笔管尾端的距离这些综合坐姿因素都考虑在内。

附图说明：

图1(a)为本实用新型中矫正握笔姿势的手写笔的结构示意图；

图1(b)为本实用新型中手势检测模块展开示意图；

图2为错误握笔情况示意图；

图3为本实用新型中握笔姿势正确的情况下示意图；

图4为本实用新型判断握笔姿势是否正确流程图；

图5为本实用新型中各模块连接示意图。

具体实施方式：下面结合附图对本实用新型做进一步的描述：

本实用新型提供一种用于矫正握笔姿势的电子手写笔，包括笔管，该手写笔包括手势检测模块、距离传感模块、陀螺仪、中央处理模块、控制按键、扬声器、供电模块和显示屏，该手势检测模块位于笔身前端的笔管表面；所谓前端就是靠近笔尖的位置；距离传感模块位于笔管尾端；陀螺仪与中央处理模块设置于笔管的内部；控制按键、扬声器和显示屏位于正确握笔姿势时手指接触不到的位置；手势检测模块、距离传感模块、陀螺仪和控制按键连接至中央处理模块，中央处理模块与扬声器、供电模块和显示屏连接。

本实用新型的外部结构如图1所示。在外观上，本实用新型的主要特征为在普通书写笔的基础上在笔前端由手势检测模块7覆盖，笔后端由控制按键3，扬声器4，显示屏6，距离传感模块5组成，笔的内部由陀螺仪1和中央处理模块2组成。

中央处理模块处理来自手势传感器、距离传感器、陀螺仪采集来的手指分布范围数据、距离数据、倾斜角数据并做综合处理得到手指与笔接触的位置信息、笔管尾端的延长线上是否有物体阻挡等信息，然后判断是否符合已设定好的参数范围内，判定使用者的握笔姿势，并将用户手指的握笔姿势解析成是否给予正确握笔姿势建议的操作命令，然后将结论与建议通过扬声器以及显示屏给出；供电模块负责给整个电路供电。

利用上述的用于矫正握笔姿势的电子手写笔所实施的矫正方法，其特征在于：该矫正方法的具体步骤如下：

(1)在使用笔书写、绘画等操作时，使用者将笔管握在大拇指、食指、中指之间，手指与手势检测模块相接触，其中手势检测模块覆盖在笔管前端，手势检测模块为能够检测手指握笔位置的矩阵柔性PCB板，该柔性PCB板的长度为笔管全长的30％，位于从距笔尖10％到距笔尖40％的位置，宽度为根据绕笔一周的长度并且由笔杆的粗细决定，即该板将此段位置的笔管全部包围，例如笔的全长为15cm，笔管外围周长为3cm，则柔性PCB板的长为4.5cm(30％*15cm)，，宽为3cm，PCB板下边缘距离笔尖1.5cm(10％*15cm)，上边缘距离笔尖6cm(40％*15cm)，将PCB板布满压力检测器，用于检测手指与笔管接触时的电信号并传送到中央处理模块，通过矩阵柔性PCB矩阵中检测到的手指与柔性PCB矩阵接触位置的中心点(x,y)的数量与各个中心点之间的距离来判断手指在笔管上抓取部位的形状判断握笔姿势是否正确：若检测到的手指与柔性PCB接触的中心点(x,y)的数量不等于3，则说明使用者使用两个、四个或者五个手指握笔，中央处理模块判定握笔姿势错误，由于能够检测到大拇指接触位置的中心点(x_t，y_t)与食指接触位置中心点(x_i，y_i)以及中指接触位置的中心点(x_m，y_m)，其中三个点中任两个点的距离值大于PCB板长度的三分之一的长度则判定书写姿势不正确，同时根据对正确握笔姿势的观察，食指在前，拇指在左后，中指在右下，食指应较拇指低些的正确握笔姿势，可以知道这三个手指在PCB板上的接触位置的关系存在y_t>y_i>y_m,否则判定握笔姿势不正确；

(2)距离检测模块安装距离传感器，用于检测延笔的中轴线向笔尾方向延长线上的遮挡物与笔尾的距离D，根据距离传感模块发射红外脉冲返回的时间可以计算出D，由公式

D＝CΔt/2    (1)

其中C为红外脉冲传播速度，若D小于15cm则判定写字姿势不正确，因此检测到红外脉冲从发射到遇到物体反射回来的时间t₁大于中央处理模块所设定的时间t₂，则延笔的中轴线向笔尾方向的延长线上无遮挡物，表明由距离检测模块这一部分处理的握笔姿势正确。而在写字姿势错误的情况下，红外脉冲从发射到遇到物体反射回来的时间t₁小于中央处理模块所设定的时间t₂，则笔尾延长线的(Ct₁/2)cm距离上有遮挡，使用者没有正坐，头部与书写面距离太近等原因会造成遮挡，此距离不会大于15cm，可以计算出t₂为10^-8s，即若t₁大于10^-8s，中央处理模块就会判定使用者的书写姿势错误；

(3)在关于人们使用笔时倾斜角范围已经由文献(参考文献：Natural UseProfiles for the Pen:An Empirical Exploration of Pressure,Tilt,and Azimuth)给出，人们使用正确姿势书写绘画时的笔倾斜角95％的范围在[47°-77°]之间，因此利用陀螺仪检测到笔与写字平面的倾斜角α_n在中央处理模块所设定的范围α_l-α_h即[47°-77°]之内时，则笔在正确的倾斜范围之内，若α_n小于α_l(47°)则笔过于贴近书写面，若α_n大于α_h(77°)则笔几乎与书写面垂直，此时中央处理模块就会判定使用者的书写姿势错误，其中α_l为设定标准范围的下限倾斜角，α_h为设定标准范围的上限倾斜角；

(4)若以上各模块检测到的数据都均表明握笔姿势正确，则不需要矫正握笔姿势，当其中任一个环节检测到握笔姿势不正确，就判定握笔姿势不正确，并且当使用者握笔姿势错误时，利用扬声器和显示屏都给出提示，告知使用者目前握笔姿势是错误的，并且根据当前握笔姿势的错误给出正确握笔姿势的一些矫正建议，并针对不同的错误握笔姿势会给出不同的建议；

(5)使用者通过控制按键开启、关闭矫正握笔姿势的手写笔的电源，并且在不想使用扬声器的时候关闭扬声器。

本实用新型的实际应用举例如下：

本实用新型提供一种可以矫正握笔姿势的手写笔及方法。该电子手写笔在传统手写笔书在纸张上书写、绘画功能的基础上，实现了无人监督下的智能矫正握笔姿势的方式：使用者在握笔姿势不正确时获得提示，并且根据不同的错误握笔姿势给出不同的矫正建议。

如图2所示，手没有在正常书写握笔范围之内，此时笔尾端的距离传感器检测到在正常写字不应该有遮挡的方位出现遮挡，因为笔尾几乎平行于写字面，因此笔尾的距离检测器检测到造成遮挡的使用者的胳膊或其他部位；同时手势检测传感器检测到大拇指、食指、中指的分布不属于正常握笔姿势的分布范围；陀螺仪检测到笔与书写面的倾斜角不在正确握笔姿势的范围之内，此时扬声器给予错误提示，显示屏给予正确握笔姿势的建议。

如图3所示，为使用正确握笔姿势情况下进行书写等操作，此时手势检测模块检测到三个握笔的手指相对位置正确，检测到的倾斜角α_n也在正常的范围[α_l,α_h]内，距离检测器检测到笔尾后端笔管的延长线上没有物体，则握笔姿势正确。若不想使用笔时，关掉电源。

Claims (2)

1.一种用于矫正握笔姿势的电子手写笔，包括笔管，其特征在于：该手写笔包括手势检测模块、距离传感模块、陀螺仪、中央处理模块、控制按键、扬声器、供电模块和显示屏，该手势检测模块位于笔身前端的笔管表面；距离传感模块位于笔管尾端；陀螺仪与中央处理模块设置于笔管的内部；控制按键、扬声器和显示屏位于正确握笔姿势时手指接触不到的位置；手势检测模块、距离传感模块、陀螺仪和控制按键连接至中央处理模块，中央处理模块与扬声器、供电模块和显示屏连接。

2.根据权利要求1所述的用于矫正握笔姿势的电子手写笔，其特征在于：手势检测模块为能够检测手指握笔位置的矩阵柔性PCB板，该柔性PCB板的长度为笔管全长的30%，位于从距笔尖10%到距笔尖40%的位置，宽度为根据绕笔一周的长度并且由笔杆的粗细决定，即该PCB板将此段位置的笔管全部包围。