一种基于图像采集的智能手写笔论文和设计-马星

全文摘要

一种基于图像采集的智能手写笔，笔杆内部由电子元件腔和装有笔芯的笔芯腔组成。电子元件腔内从笔头至笔尾依次设置图像采集装置、电池、控制电路板和天线，电池的重心位于笔杆中心1\/3处。笔帽的笔帽夹为天线，笔帽套于笔杆尾时，笔帽的天线与笔杆内的天线连接。本实用新型具有重量分布均匀、握持手感好和无线信号好、连接稳定等优点。

主设计要求

1.一种基于图像采集的智能手写笔，包括笔杆和笔帽，其中笔杆内部由电子元件腔和装有笔芯的笔芯腔组成，其特征在于：电子元件腔内从笔头至笔尾依次设置图像采集装置、电池、控制电路板和天线，其中电池的重心位于笔杆中心1\/3处；控制电路板包括无线通信模块，图像采集装置、电池和天线与控制电路板相连；笔杆外壳上设有按键，按键与控制电路板相连；笔芯由笔杆首端的开口处插于笔芯腔内，笔芯完全插入后其尾端与电子元件腔内的压力传感器接触。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种基于图像采集的智能手写笔，其特征在于：笔杆外壳与尾部设置LED指示灯，由控制电路板控制；笔帽于对应位置开设与指示灯大小相同的开口，笔帽套于笔杆尾部时开口可以露出指示灯。

3.根据权利要求2所述的一种基于图像采集的智能手写笔，其特征在于：指示灯的表面和\/或笔帽上的开口处设置散光塑料。

4.根据权利要求2所述的一种基于图像采集的智能手写笔，其特征在于：笔帽的笔帽夹为金属芯的天线，天线连接位于笔帽内壁的金属触点；笔杆尾部外壁设有连接电子元件腔内天线的金属触点；笔帽套于笔杆尾部且笔帽旋转至开口露出指示灯位置时，笔帽内壁的金属触点与笔杆尾部外壁的金属触点相连。

5.根据权利要求1所述的一种基于图像采集的智能手写笔，其特征在于：摄像头前设有防护板，防护板平面朝笔杆尾端倾斜，其与笔芯夹角为30至60度。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种基于图像采集的智能手写笔，其特征在于：笔杆尾部外壳材质为塑料或玻璃。

7.根据权利要求6所述的一种基于图像采集的智能手写笔，其特征在于：笔杆尾端设有与控制电路板连接的充电接口，接口标准为Micro USB或USB Type C。

8.根据权利要求6所述的一种基于图像采集的智能手写笔，其特征在于：于电子元件腔内设置与控制电路板连接的无线充电线圈。

9.根据权利要求6所述的一种基于图像采集的智能手写笔，其特征在于：笔杆在笔头部位与手指接触位置设有防滑纹路。

设计说明书

技术领域

本实用新型设计数字化手写笔领域，特别是一种基于图像采集的智能手写笔。

背景技术

计算机技术的高速发展使得教育智能化、电子化成为当今的一大趋势，而智能书写技术作为一种有效地交互和输入手段也使得其成为教育智能化、电子化的重要组成部分。目前智能书写技术的实现方案之一是以书写设备配合相应电子白板成套使用。当书写设备触摸在电子白板表层上时，书写设备和电子白板表面形成以一个耦合电容，书写设备从接触点吸走电流，通过对四个角流出电流比例的精确计算得出触摸点的位置信息。进一步，通过屏幕等显示首端重现手写的内容。另一种实现方案是在传统的笔上做出改进，添加摄像头和一系列电子元件，通过拍摄笔真实书写形成的笔迹并进行图像处理将手写内容电子化。这种方案的书写效果更好，也更贴合人们对传统的笔的认知，所以更适合用于教育、培训等场景。

但上述现有技术还存在着不足。传统的笔重量均匀，而智能手写笔加入各种电子元件后重量不平衡、重心安排不合理，使得智能手写笔的书写感受和效果与传统的笔有较大的差异。受限于智能手写笔的尺寸和内部空间大小，使用无线通信技术的智能手写笔其天线无法合理设计。加之电源功率有限，智能手写笔的无线连接质量不稳定、数据传输容易中断，非常影响使用体验。因此，现有技术不利于引导孩子对书写形成正确的认知和感悟，并不适用于针对中小学生的智能课堂。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术的上述不足而提供基于图像采集的智能手写笔，其具有重量分布合理，握持手感好，且无线连接稳定的特点。

一种基于图像采集的智能手写笔技术方案如下：

包括笔杆和笔帽，其中笔杆内部由电子元件腔和装有笔芯的笔芯腔组成。电子元件腔内从笔头至笔尾依次设置图像采集装置、电池、控制电路板和天线，其中电池的重心位于笔杆中心1\/3处。控制电路板包括无线通信模块，图像采集装置、电池和天线与控制电路板相连。笔杆外壳上设有按键，按键与控制电路板相连。笔芯由笔杆首端的开口处插于笔芯腔内，笔芯完全插入后其尾端与电子元件腔内的压力传感器接触。

进一步，笔杆外壳与尾部设置LED指示灯，由控制电路板控制；笔帽于对应位置开设与指示灯大小相同的开口，笔帽套于笔杆尾部时开口可以露出指示灯。

进一步，指示灯的表面和\/或笔帽上的开口处设置散光塑料。设置闪光塑料使得指示灯的灯光更加柔和。

进一步，笔帽的笔帽夹为金属芯的天线，天线连接位于笔帽内壁的金属触点；笔杆尾部外壁设有连接电子元件腔内天线的金属触点；笔帽套于笔杆尾部且笔帽旋转至开口露出指示灯位置时，笔帽内壁的金属触点与笔杆尾部外壁的金属触点相连。

进一步，摄像头前设有防护板，防护板平面朝笔杆尾端倾斜，其与笔芯夹角为30至60度。

进一步，笔杆尾部外壳材质为塑料或玻璃。无线电波容易穿过塑料和玻璃材质。

进一步，笔杆尾端设有与控制电路板连接的充电接口，接口标准为Micro USB或USB Type C。

进一步，于电子元件腔内设置与控制电路板连接的无线充电线圈。

进一步，笔杆在笔头部位与手指接触位置设有防滑纹路。

本实用新型提供的一种基于图像采集的智能手写笔的有益效果有：（1）通过将密度和整体质量较大的电池设与笔杆中段的位置，电池前后的电子元件部分重量差别也较小，使得智能手写笔整体的重量分布较为均匀。智能手写笔的重心与传统的笔相似，在握持的感受上产生良好的效果，书写过程流畅且手部不易疲劳。（2）天线设于笔杆尾端，使用时不受遮挡，有利于无线信号的传输。加上笔帽夹作为延伸天线的设计，书写时将笔帽套于笔杆未必，进一步增强智能手写笔的无线连接稳定性。

附图说明

图1是本实用新型具体实施方式的结构示意图。

附图编号说明：

1、笔杆；11、笔芯腔；111笔芯；112、笔尖；12、摄像头；121、防护板；13、电池；14、控制电路板；15、天线；151、笔杆触点；16、压力传感器；17、按键；18、指示灯；2、笔帽；21、笔帽夹；22、笔帽开口；23、笔帽触点。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本实用新型的一种基于图像采集的智能手写笔做进一步详细说明。

参照图1，作为本实用新型的一种具体实施方式，智能手写笔的主题包括笔杆1和笔帽2，笔帽2套装与笔杆1的首端或尾端。

笔杆1为首端开放的中空圆柱体，笔杆1的外壁靠近首端的一段为书写时手指接触的部位，在此位置设置防滑的纹路。与笔杆1的内壁从首端沿笔杆1的轴心方向设置两端开放的中空圆柱体，该圆柱体的中空部分为笔芯111腔11，笔芯111腔11的长度小于笔杆1的长度。笔芯111插装于笔芯111腔11内，其长度略长于笔芯111腔11的长度。笔芯111和笔芯111腔11的尾端设有对应的磁吸结构，笔芯111插入笔芯111腔11后磁吸结构相吸以保持笔芯111的安装稳定。

笔杆1的中空部分除去笔芯111腔11的部分为电子元件腔。电子元件腔内从笔杆的首端至尾端依次设置摄像头12、电池13、控制电路板14和天线15。电池13两端距笔杆1两端的距离相等，因此电池13的重心保持在笔杆1的中间位置。压力传感器16设于电子元件腔靠近笔芯111腔11的尾端开口的位置，笔芯111的尾端穿过笔芯111腔11的尾端开口接触压力传感器16。控制电路板14包括电源控制模块、处理模块和蓝牙通信模块。压力传感器16、摄像头12、电池13和天线15分别与控制电路板14相连。天线15设于笔杆1尾部，用于接收和发射蓝牙信号，笔杆1的外壳在尾部为塑料或玻璃材料制成。塑料或玻璃材料的笔杆1外壳有利于蓝牙信号的传输。

摄像头12之前靠近笔杆1首端开口位置设有40度倾斜的透明的防护板121，不仅可以防止灰尘进入智能手写笔的电子元件腔，还能改善特殊角度下眩光对摄像头12成像的影响。根据智能手写笔的尺寸和使用场景的不同，防护板121的亲斜角度可以调整为35度或50度。笔杆1外壳上设有按键17和LED的指示灯18，按键17和指示灯18与控制电路板14相连。指示灯18的表面装有光散射塑料块。笔杆1外壳的尾部设有两个与电子元件腔中的天线15连接的笔杆触点151。

笔帽2上设有L形的笔帽2夹21。笔帽2夹21的外部材料为塑料，中间夹芯部分为金属。笔帽2的内壁上设有与笔杆触点151对应的笔帽2触点23，连接笔帽2夹21的金属夹芯。笔帽2上开设与指示灯18大小相同的笔帽2开口22，笔帽2开口22中镶嵌半透明的散射塑料。笔帽2套于笔杆1尾部时旋转至特定位置，笔帽2开口22可以透过指示灯18的光，这时笔杆触点151和笔帽2触点23相连，笔帽2夹21的金属夹芯起到延伸天线15的作用，增强智能手写笔的蓝牙连接稳定性。

笔杆1的尾端设有与控制电路板14连接的充电接口，接口标准为Micro USB或USBType C。通过对应标准的线缆将笔杆1与电脑或电源相连为电池13充电。优选地，于电子元件腔内，贴合内壁设置与控制电路板14连接的无线充电线圈，与适配的无线充电板配合使用为电13池充电。

这种基于图像采集的智能手写笔的使用场景如下：

配合表面点阵排列设置具有独特编码的坐标点的书写膜和处理单元使用，处理单元可以是手机或家庭智能音箱等计算机设备，智能手写笔通过蓝牙与计算单元连接。长按按键17控制智能手写笔进入蓝牙配对模式。指示灯18通过常亮和闪烁表示智能手写笔的当前工作状态：快速闪烁代表正在进行蓝牙配对；慢闪代表智能手写笔正在书写但未连接蓝牙或摄像头12非正常工作；常亮代表智能手写笔正在书写且摄像头12正常工作。

书写时，笔芯111的笔尖112与书写膜接触，笔尖112在书写膜上通过留下墨迹。同时，压力传感器16受到笔芯111的挤压产生相应的压力读数。设置一个压力传感器16读数的阈值，该阈值为笔尖112在书写膜上产生书写效果所需的最低压力。当压力传感器16读数达到阈值时，摄像头12开始快速采集连续的图像帧。每一帧图像中都包括笔尖112和至少两个书写膜上的定位点。

所有的定位点组成一个输入坐标系。通过解码坐标点的独特编码，得知该坐标点在坐标系中的位置。根据图像中笔尖112和坐标点之间包括角度和距离的位置关系，结合比例可以用三角定位的方式计算出笔尖112位于坐标系中的坐标。

通过处理和分析每一帧图像信息，可以计算出笔尖112和定位点的相对位置信息，进而得出笔尖112在由所有定位点组成的坐标系中的位置信息。通过于控制电路板14上设置处理芯片和计算芯片，可以在智能手写笔上完成图像的处理和分析，然后将计算得到的笔尖112的位置信息通过蓝牙发送到处理单元进行下一步处理。优选的实施方式为智能手写笔直接将摄像头12采集到的图像信息通过蓝牙发送到处理单元，由处理单元完成图像的处理和分析。这样可以减轻智能手写笔的计算任务量，有效降低电池13消耗。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其同等技术的范围之内，则本实用新型也包含这些改动和变型在内。

设计图

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