帶書寫觸感的虛擬空間電子手寫筆設計

袁 梅，梁向東，汪鵬程，黃潔文

（桂林理工大學南寧分校，廣西 南寧530001）

0 引言

隨著多媒體技術的發展和普及，在教師授課[1]，會議講評以及產品路演展示時，經常需要對顯示屏或投影幕上的內容進行操控[2]，甚至要在畫面上觀場書寫文字和作畫。電子板書寫是常用的工具，眾所周知，教師們書寫的文字和手繪的圖畫大多是由許多筆劃組成，能夠一筆連完的少之又少，筆劃與筆劃之間有著長短不一的間斷而停頓。在書寫過程中靠按壓（落筆）和提筆來實現每一筆劃的啟、停。落筆和提筆的動作控制精確與否主要取決于書寫時反饋回的觸壓力度大小以及手眼配合的熟練程度，這是由長時間形成的書寫習慣所決定的。但大多數的電子板書寫功能并不符合書寫習慣，因此開展帶書寫觸感的虛擬空間電子手寫筆的研究。

1 現有設備技術特點與不足

1.1 鼠標與飛鼠

使用傳統的輸入設備，如鼠標（特別是飛鼠）來寫、畫時，指尖和手腕無法感受到平時運筆的觸壓感，只能全憑眼睛緊盯光標的運動軌跡一點點的描，落筆和提筆的動作靠點擊相應的開關來模擬。書寫的動作與感覺與平時多年練就已形成條件反射的用筆習慣大相徑庭。無法通過增減書寫的力度來調節筆跡的粗細、筆鋒以及每一筆劃之間的停頓與連接關系，和平常書寫相比，其效果和效率都差距甚遠。

1.2 手寫板與觸摸屏

使用手寫板（觸摸屏）作為輸入設備時，其效果和平常用紙、筆書寫的相差不大，但也存在兩個明顯不足：1）手寫板（觸摸屏）不如鼠標小巧，使用者需要一邊走動，一邊演示時不夠方便攜帶；2）書寫大字或繪制大幅圖畫時操作不便，程序繁雜。

2 虛擬空間電子手寫筆的設計原理

2.1 電子筆結構

如圖1所示，本產品既能模擬實際書寫時的觸壓與摩擦感受，又具備普通鼠標的便攜能力。可以將其視為一支能在大小可調，位置任意設定的觸摸屏上書寫和繪畫的電子筆，操作簡便，真實感強，具有良好的使用價值。結構圖如圖2所示。

圖1 帶書寫觸感的虛擬空間電子手寫筆

圖2 電子手寫筆結構圖

2.2 工作原理

（1）啟動書寫功能后，手寫筆內置的控制模塊4從陀螺儀模塊9獲取手寫筆的俯仰角α與航向角β，以及筆前端A點的三維坐標（x，y，z），如圖3所示。

圖3 電子手寫筆手筆端電路原理框圖

（2）生成以A點為坐標原點，且與地面、手寫筆在地面的投影線段A′B′垂直的虛擬平面M。

（3）生成平行于平面M的虛擬平面M′，M、M′之間的距離為H（見圖4）。M、M′等效于實際觸摸屏的表面和底面。虛擬平面M、M′的三維坐標存儲于控制模塊4內的微處理器，作為下步（見第5點）比對的參照。

圖4 虛擬屏示意圖

（4）觸摸筆的前端裝有陀螺儀模塊9，該模塊實時采集陀螺儀內部x、y、z三個方向的加速度及水平俯仰，滾動角速度數據，并由控制模塊4換算出觸摸筆筆尖的實際三維坐標位置（x、y、z），根據增量坐標值計算出光標移動距離，再根據標準HID協議命令格式編碼，通過通信模塊3透傳給PC接收端。

（5）控制模塊 4 將（x、y、z）值與預設的虛擬屏（M、M′）比對（見圖 1）。當筆尖處于 M、M′之間時，啟動直線振動電機8推動傳振構件6，再由控制模塊4調節直線振動電機8的行程與幅度，產生觸壓感，觸壓力度F由壓力傳感器7采集，并反饋至控制模塊4形成閉環控制。F的大小與距離h（見圖4）成正比（F=kh，k為常數，k越大則觸壓感越強）。與此同時控制模塊4通過通信模塊3向PC端發送變換后的坐標（x′，y′，h），其中 x′，y′為筆前端 A 點在虛擬平面 M的投影坐標（見圖4）；h相當于筆尖A位于虛擬屏（M，M′）的深度（見圖 5），h的大小用于控制筆畫的粗細和筆鋒的力度。如果筆尖位置不在M、M′之間，則向 PC 端發送的數據為（x′，y′，-255），直線振動電機不動作，此時按壓在手寫筆傳振構件6上的手指得不到書寫的觸壓感。

圖5 虛擬屏示意圖

（6）限位彈簧5用于支撐傳振構件6，使傳振構件6與壓力傳感器7和直線振動電機8保持輕微接觸。

（7）無線收發模塊接收到手寫筆發來的光標控制命令編碼，通過USB-HID模塊，直接傳輸到PC，PC端則根據控制命令，進行光標移動等控制，從而實現書寫、點擊等各種操作，原理如圖6所示。

圖6 手寫筆PC端原理框圖

2.3 制作與應用

（1）圖3中電子筆的微處理器控制模塊中采用STC8A8K64S4A12核心板，陀螺儀模塊采用MPU6050芯片，直線電機采用1027手機震動電機，藍牙模塊采用CC2540。PC接收端的藍牙模塊采用CC2540，連接USB串口HID模塊CH9329，接收串口數據，轉換為HID協議鼠標鍵盤控制指令，控制PC端的電子白板，實現虛擬空間的書寫功能。

（2）參數對比。帶書寫觸感的虛擬空間電子手寫筆與同類產品參數對比。

從表1可以看出，無論在新增功能與使用體驗、各種新能參數及性價比方面，與其他類似產品相比，本產品具有著獨特的優勢。

表1 與同類產品性能對比

3 結束語

本設備在實現無線空鼠功能的同時，使用者在書寫過程中，還可通過實時反饋的指間觸感，以便調整書寫動作，從而獲得真實的手寫感覺。