专利名称：一种智能电子手写笔的制作方法
技术领域：
本实用新型属于模式识别与人工智能技术领域，特别涉及人机接口设备。
背景技术：
传统的手写笔是依靠手写笔在电阻屏上产生压力而在屏幕上输出图形，屏幕菜单的选项也需要手写笔在屏幕上选择方可实现。目前很多智能手机采用电容屏，虽然可以方便使用手指输入信号，但对于中文以及象形文字的输入还是笔的形式更为有效。但目前各类设备触摸屏的所采用手写笔存在以下几个明显缺点(1)对于软件中各类快捷方式选择，主要是通过菜单选择来完成，这样两层以上的菜单选择起来非常麻烦，即使是一层菜单的选择也是枯燥无味的；(2)对于快捷键的人机输入实现显得无能为力，因为多数手持设备没有方便的键盘可供使用，即使某些高端设备配有键盘的，除了携带上的不方便，另外当一个人同时操作键盘和输入笔的时候是需要串行工作的，来回的切换使得用户体验会大打折扣。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服上述人机交互的缺点和不足，通过研究笔两端的运动规律，设计出一种配合智能设备(包括手机、掌上电脑、平板电脑、手提电脑以及带有触摸屏的专有人机交互设备)——智能电子手写笔，它保留了传统手写笔在各类触摸屏实现图符输入的便利性；同时创造性的实现了只有键盘才具有的快捷键(组合键)的功能；提供手部残疾人士一种全新的人机交互方式；具有一定的娱乐功能。本实用新型的目的通过下述技术方案实现一种智能电子手写笔，包括硬件系统和软件系统，所述硬件包含主控�？�、三轴加速度传感器、角加速度传感器、A/D转换器、无线发射�？椋⒉捎盟芟呓峁故迪钟布低车牧樱渲锌刂谱芟哂糜诖渲骺啬？楹推渌？榈目刂菩藕牛葑芟吒涸鸫涿扛瞿？橹涞氖荩鑫尴叻⑸淠？槭迪钟胪獠恐悄苌璞傅奈尴吡樱鋈砑低嘲ㄉ柚迷谥骺啬？樯系哪诓咳砑？椋约吧柚迷谕獠恐悄苌璞傅耐獠咳砑？椋瞿诓咳砑？楹屯獠咳砑？橥ü尴咄ㄐ判橄嗷チ樱迪纸邮詹⑹侗鹩没ü布低乘械氖中床僮�。本实用新型智能电子手写笔包括硬件部分统和软件部分，软件部分分为机内�？� (驻于本实用新型智能电子手写笔内部)和机外�？�(驻于手机或掌上电脑或平板电脑等智能设备内部)，硬件和软件二者相互配合共同完成智能笔的功能。所述主控�？楦涸鹑峒铀俣却衅骱徒羌铀俣却衅鞯幕袢。约坝布低衬诓康目刂屏鞒蹋⒍岳醋訟/D转换器数据进行压缩和编码后发送到无线发送�？椋⑶医邮芸刂谱芟叽吹目刂菩藕�。所述三轴加速度传感器负责测量智能电子手写笔当前状态相对于初始基准面在三个自由度上的静态重力加速度的变化以及晃动笔杆形成的动态加速度。[0009]所述无线发射�？楦涸鸾⒅悄艿缱邮中幢视肫渌馕е悄苌璞傅奈尴吡绰罚骺啬？檠顾鹾捅嗦氲仍ご砗蟮募铀俣刃畔⒎⑺透獠恐悄苌璞傅耐獠咳砑？榻泻笮拇�。本实用新型与现有技术相比具有如下的优点。(1)本实用新型专利通过研究手部运动控制本实用新型智能电子手写笔的运动这一规律，提出了一种全新的智能输入设备，利用该设备可以创造性实现了只有键盘才具有的快捷键(组合键)的功能；在此基础上继续采用传统手写笔在触摸屏上输入图符这一符合人体工学的设计。(2)通过转动与晃动笔杆，实现人机交互，这一操作本身具备一定的娱乐性，将笔的运动姿态和人机交互技术创造性的结合到一起，使得枯燥的输入变得有趣和新奇。(3)与新兴的需要手部穿戴传感器或是利用视频识别技术的手势识别技术相比 新兴的手势识别技术所用手掌和指关节运动受到生理极限的限制(比如手指的弯曲度、手部是否残疾等)；所佩戴传感器需要更多自由度和精度，同时需要手部做出比较夸张的动作；另外由于穿戴的方式会增加手部不适应感。而本实用新型智能电子手写笔技术由于不去识别手势，创新的去识别笔杆部位运动情况，因而对于手部生理要求不高；另外模式识别阶段主要特征包括传感器送回经过预处理得到的三轴加速度/角加速度等，因而对传感器的自由度和精度要求会比手势识别有所降低；本实用新型智能电子手写笔的外形与传统笔的外形区别不大，不会增加手部的不适应感。(4)与已有的在鼠标或笔内安装加速度传感器的电子设备相比已有的在鼠标或笔内安装加速度传感器的电子设备其主要通过对加速度传感器采集到的加速度信息进行积分从而获得位移信息，这种方式由于传感器的精度限制，要求电子设备位移量要足够大； 并且这种设备的输出结果对初始位置、角度以及运动后的位置、角度要求严格，这就限制了这类设备的广泛应用；而本实用新型智能电子手写笔采用的原始特征和原始特征对时间的变换特征即基于安装位置的三轴角加速度、角速度、角度特征以及加速度和笔相对于重力方向投影的角度等多维特征，在此基础上利用模式识别中特征提取的方法寻找基于几种特定模式(如图4所描绘，并不限定为这4类模式)最优特征，在此基础上进行模式识别，因而本实用新型智能手写应用前景更好。(5)与新兴的超声定位识别记录笔相比新兴的超声定位识别记录笔需要笔在纸张上书写，一般不能用于触摸屏设备；该设备通过多普勒效应检测笔尖在书写点处的位移， 然后进行相应的模式识别进而识别出文字和符号；这种笔需要很高的传感器位移精度，因而造价很高，另外对笔在三维空间的运动情况就显得无能为力。而本实用新型智能电子手写笔在保留触摸屏用传统手写笔在触摸屏上书写文字的设计基础上，创新的通过对手写笔笔端脱离触摸屏时的运动姿态进行识别；识别特征包括传感器送回经过预处理得到的三轴加速度/角加速度等；本实用新型所采用的加速度传感器与角加速度传感器的价格非常低廉，测量加速度、角加速度精度完全满足应用；由于可以识别笔在立体空间的旋转、晃动等运动情况，因而使用范围更加宽广。(6)随着机器学习技术的不断提高，通过更新软件机内�？椴糠值氖侗鹚惴ǎ矶喔痈丛拥谋臼涤眯滦椭悄艿缱邮中幢识鹘皇侗鸪隼矗蚨弥悄鼙实目捎眯钥刹欢仙�。
4[0017](7)成本低，便于推广普及随着加速度传感器芯片的普及以及电子设备固有的摩尔定律，设备的制造成本是可以控制的。
图1是本实用新型智能电子手写笔的外观示意图。图2是本实用新型智能电子手写笔的内部结构示意图。图3是本实用新型智能电子手写笔硬件组成框图。图4是本实用新型智能电子手写笔4种运动姿态示意图图5是本实用新型智能电子手写笔的内部软件模块流程图图6是本实用新型智能电子手写笔的外部软件�？榱鞒掏�。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步具体的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。图1示出了本实用新型的一种外观形状，从外观上讲，本实用新型专利与一般书写用笔或是手持式设备配备的普通手写笔并无太大区别。其主要有笔端和笔杆两部分组成。另外本实用新型也可以单独做成笔帽的形式，直接套在原有传统手写笔的末端，完成同样的功能。本实用新型智能电子手写笔的一种内部结构设计如图2所示，其一种硬件组成原理如图3所示，包括主控�？�1、三轴加速度传感器2、角速度传感器3(图中未示出)、A/D转换器4、无线发射�？�5、电源�？�6、工作状态指示灯7和开关8。硬件系统采用双总线结构，控制总线用于传输对于主控�？�1、无线发射�？�5、电源�？�6等的控制信号，数据总线负责传输�？橹涞氖�。主控�？�1为整个系统的核心，主要负责传感器数据的获取和硬件内部的控制流程，对经过A/D转换器4转换的数据进行压缩和编码等预处理后送到无线发射�？�5，并且接受控制总线传来的控制信号；加速度传感器2负责测量相对于初始轴线位置在三个自由度上的静态重力加速度的变化以及晃动笔杆形成的动态加速度；角速度传感器3负责测量笔杆旋转所形成的角加速度；A/D转换器4负责将加速度传感器2和角速度传感器3的模拟信号转换为数字信号；无线发射�？�5负责建立智能电子手写笔与外部智能设备的无线链路，将经过主控�？�1压缩和编码等预处理后的传感器信息发送给上位机进行后续的处理；电源�？�6负责给整个电路提供正常工作时所需要的电源。本实用新型的作用原理是将加速度传感器2安装在本实用新型智能电子手写笔的两端，组成传感器阵列。将角加速度传感器3安装在本实用新型智能电子手写笔的旋转轴线方向上。当本实用新型智能电子手写笔不接触触摸屏时，手部做有规律运动，这时可以带动本实用新型智能电子手写笔运动。当智能电子手写笔倾斜时，利用加速度传感器2测量相对于原来轴线位置的三个自由度上静态重力加速度的变化，可以轻易知道当前位置的倾斜角；当智能电子手写笔作有规律的晃动时，利用加速度传感器2测量三轴动态加速度， 可以获得当前智能电子手写笔的运动状态；当智能电子手写笔旋转时，利用角速度传感器 3的测角原理。可以得到当前智能笔的角加速度信息，对该角加速度信息对于时间进行一次积分可以获得当前的旋转角速度。根据加速度传感器2以及角速度传感器3的安装位置、数量，就可以实现一轴或多轴的加速度、角加速度信息。分别对这些信息进行处理，进行相应的模式识别，就可以获得笔的运动情况，而不同类别笔运动的情况可以对应不同的输入指令，进而实现各种复杂的人机交互。图4描绘了几类智能电子手写笔可以识别的简单运动情况。其中虚平面是本实用新型智能电子手写笔端离开带触摸屏智能设备时，与运动轨迹近似平行的假想平面。其中 (a)描绘的是本实用新型智能电子手写笔沿其轴线顺时针或逆时针旋转；(b)描绘的是本实用新型智能电子手写笔笔端做圆周运动，其轨迹所成的虚平面与智能设备成某一角度的情况；(c)描绘的是本实用新型智能电子手写笔轴线与智能设备成某一角度，沿转动点0做钟摆运动的情况；(d)描绘是本实用新型智能电子手写笔轴线与智能设备成某一角度，沿其轴线做往复运动的情况。这几类运动情况的简单组合可以生成更复杂的智能电子手写笔运动类别。本实用新型的工作流程参考图5、图6。内部软件�？榈木咛骞ぷ鞴涛偕系绾笸瓿勺约欤低辰腥碛布跏蓟ǜ娓鞑糠止ぷ髯刺虎谂卸舷低呈欠裾＃绻徽Ｗ虢崾虎劢⒈臼涤眯滦椭悄艿缱邮中幢视氪写ッ林悄苌璞傅奈尴吡绰罚虎� 判断无线链路是否正常；⑤主控�？槎寥〖铀俣却衅饕约敖羌铀俣却衅魇荩虎拗骺啬？榛袢〖铀俣群徒羌铀俣却衅魇莶⒔醒顾鹾捅嗦氲仍ご恚虎咧骺啬？榻ご淼拇衅魇萦梦尴叻⑸淠？榉⑸涑鋈ズ螅氐讲街琚�。外部软件�？橥ǔＷち糁悄苌璞钢校咛骞涛倨舳砑蠼心？樽约旌统跏蓟虎谂卸贤獠咳砑？槭欠窆ぷ髡＃绻徽Ｔ蚍祷毓收闲畔⒑蠼氩街琚峤崾虎叟卸衔尴吡绰肥欠窆ぷ髡＃绻徽Ｔ诜祷毓收闲畔⒑蠼氩街琚峤崾虎芏寥∥尴吡绰分写吹募铀俣却衅饔虢羌铀俣却衅魇荩虎荻愿檬萁薪饴牒徒庋顾鹾蠼新瞬ǖ仍ご聿⒓尤胧奔湫畔ⅲ虎薅栽ご砗蟮氖萁刑卣魈崛。呓嗦反衅魇萏卣髌唇尤诤希虎喽蕴卣鹘心Ｊ绞侗穑玫奖臼涤眯滦椭悄艿缱邮中幢实脑硕掷嗲榭觯灾悄苌璞阜⒊鲋噶詈螅氐讲街琚堋�
权利要求1.一种智能电子手写笔，其特征在于包括硬件系统和软件系统，所述硬件包含主控�？椤⑷峒铀俣却衅�、角加速度传感器、A/D转换器、无线发射�？椋⒉捎盟芟呓峁故迪钟布低车牧樱渲锌刂谱芟哂糜诖渲骺啬？楹推渌？榈目刂菩藕牛葑芟吒涸鸫涿扛瞿？橹涞氖荩鑫尴叻⑸淠？槭迪钟胪獠恐悄苌璞傅奈尴吡印�
2.根据权利要求1所述的智能电子手写笔，其特征在于所述主控�？楦涸鹑峒铀俣却衅骱徒羌铀俣却衅鞯幕袢。约坝布低衬诓康目刂屏鞒蹋⒍岳醋訟/D转换器数据进行压缩和编码后发送到无线发送模块，并且接受控制总线传来的控制信号。
3.根据权利要求1所述的智能电子手写笔，其特征在于所述三轴加速度传感器负责测量智能电子手写笔当前状态相对于初始基准面在三个自由度上的静态重力加速度的变化以及晃动笔杆形成的动态加速度。
4.根据权利要求1所述的智能电子手写笔，其特征在于所述角速度传感器负责测量智能电子手写笔笔杆旋转所产生的角加速度。
5.根据权利要求1所述的智能电子手写笔，其特征在于所述A/D转换器负责将加速度传感器和角速度传感器所采集到的模拟信号转换为数字信号。
6.根据权利要求1所述的智能电子手写笔，其特征在于所述无线发射模块负责建立智能电子手写笔与其他外围智能设备的无线链路，将经过主控�？檠顾鹾捅嗦氲仍ご砗蟮募铀俣刃畔⒎⑺透獠恐悄苌璞傅耐獠咳砑？榻泻笮拇�。
专利摘要本实用新型提供一种智能电子手写笔，包括硬件系统和软件系统，所述硬件包含主控�？�、三轴加速度传感器、角加速度传感器、A/D转换器、无线发射�？椋⒉捎盟芟呓峁故迪钟布低车牧樱渲锌刂谱芟哂糜诖渲骺啬？楹推渌？榈目刂菩藕牛葑芟吒涸鸫涿扛瞿？橹涞氖荩鑫尴叻⑸淠？槭迪钟胪獠恐悄苌璞傅奈尴吡樱鋈砑低嘲ㄉ柚迷谥骺啬？樯系哪诓咳砑？椋约吧柚迷谕獠恐悄苌璞傅耐獠咳砑？椋瞿诓咳砑？楹屯獠咳砑？橥ü尴咄ㄐ判橄嗷チ樱迪纸邮詹⑹侗鹩没ü布低乘械氖中床僮�。
文档编号G01P15/18GK202177871SQ20112013091
公开日2012年3月28日 申请日期2011年4月28日 优先权日2011年4月28日
发明者李辰成, 金连文, 陶大鹏 申请人:华南理工大学
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