專利名稱：帶有坐姿監(jiān)視功能的超聲波手寫板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可以用于監(jiān)視使用者讀寫時(shí)坐姿的超聲波手寫板，屬于計(jì)算機(jī)手寫輸入技術(shù)領(lǐng)域的擴(kuò)展應(yīng)用，尤其是以超聲波測(cè)距技術(shù)為基礎(chǔ)的坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)在日常保健產(chǎn)品上的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
對(duì)于普通人而言，通常監(jiān)視其頭部的位置，就基本上能確定其讀寫時(shí)的坐姿是否良好。而現(xiàn)有的超聲波手寫板只能用于計(jì)算機(jī)的圖文手寫輸入，如美國(guó)專利US5283558、US6147681，號(hào)碼為ZL98248471.2、ZL98101663.4、ZL00133388.7等中國(guó)專利所公布的各種用于超聲手寫輸入的技術(shù)方案，以及CN98101325.2、CN01144415.0、CN01140294.6、CN01140296.2、CN01140297.0等中國(guó)專利申請(qǐng)所公布的技術(shù)方案，均無(wú)可以附帶有坐姿監(jiān)視功能的產(chǎn)品和技術(shù)。根據(jù)手寫筆的結(jié)構(gòu)和超聲波接收器(簡(jiǎn)稱接收器)的數(shù)量，可以將其現(xiàn)有超聲波手寫板(簡(jiǎn)稱手寫板)分為以下幾種類型第一種，兩點(diǎn)有線型，手寫筆中帶有超聲波發(fā)射器(簡(jiǎn)稱發(fā)射器)，接收部分有兩只接收器，超聲發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路和接收部分一起安裝在手寫板的外殼之內(nèi)，與發(fā)射器通過(guò)導(dǎo)線連接。
第二種，兩點(diǎn)無(wú)線型，手寫筆中帶有發(fā)射器及其驅(qū)動(dòng)電路，還帶有一個(gè)一般使用紅外線傳輸同步電路，用來(lái)同步發(fā)射和接收，接收部分有兩只接收器，安裝在手寫板的外殼之內(nèi)。
第三種，三點(diǎn)無(wú)線型，手寫筆中帶有發(fā)射器及其驅(qū)動(dòng)電路，接收部分有三只接收器，安裝在手寫板的外殼之內(nèi)。
第四種，無(wú)線反射型，手寫筆筆尖部分能反射超聲波但沒(méi)有發(fā)射器，甚至可用手指代替手寫筆，但系統(tǒng)中有抬筆落筆檢測(cè)單元或結(jié)構(gòu)，外殼內(nèi)有兩只接收器和一只發(fā)射器。
申請(qǐng)?zhí)枮?00610002011.9的中國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)了一種基于超聲波測(cè)距技術(shù)的坐姿監(jiān)視技術(shù)方案，但是沒(méi)有手寫輸入功能?？疾焱瑢儆谖幕约氨＝∮闷返钠渌a(chǎn)品，現(xiàn)有用于監(jiān)視甚至校正中小學(xué)生讀寫時(shí)的坐姿、防止近視和不良體態(tài)的保健用品，基本上都是機(jī)械結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，如安裝在文具盒上的折疊式限位桿等。曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)的電子產(chǎn)品是掛在使用者耳朵上的坐姿監(jiān)控器。這些產(chǎn)品技術(shù)或產(chǎn)品都有使用不方便、容易分散被監(jiān)測(cè)者的精力、舒適性較差等缺點(diǎn)，實(shí)用性比較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，就是利用超聲波測(cè)距技術(shù)的原理，在不影響手超聲波寫板手寫輸入的基本功能且基本上不增加產(chǎn)品成本的基礎(chǔ)上，公開(kāi)了一種將超聲波手寫板附加上坐姿監(jiān)視功能的技術(shù)方案，通過(guò)對(duì)被監(jiān)測(cè)者頭部的空間位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，來(lái)實(shí)現(xiàn)坐姿監(jiān)測(cè)目的。
分別考察超聲波在坐姿監(jiān)測(cè)和手寫板這兩方面的應(yīng)用方式，可以看到他們的基本原理一樣，使用的元器件也基本相同，因此針對(duì)上述的四種手寫板，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案本發(fā)明包含有一支手寫筆，由一組超聲波換能器及其配合的驅(qū)動(dòng)和信號(hào)處理、抬筆落筆檢測(cè)電路、構(gòu)成手寫板主體并在其中安裝換能器的外殼及結(jié)構(gòu)件，以及用于控制整個(gè)系統(tǒng)工作的微控制器系統(tǒng)所構(gòu)成的手寫板；其中超聲波發(fā)射器可以安裝在手寫筆中，也可以與超聲波接收部分一起安裝在所述的外殼之內(nèi)；其改進(jìn)之處在于所述手寫板上還包含有一套用于改變超聲波檢測(cè)的方向的機(jī)械裝置，使所述換能器能夠或者沿手寫板書寫平面方向發(fā)射或接收超聲波；或者向手寫板前方的空間內(nèi)發(fā)射超聲波或接收來(lái)自該方向的超聲波；所述機(jī)械裝置或者是下述結(jié)構(gòu)中的一種，所述換能器通過(guò)所述殼體或結(jié)構(gòu)件安裝在該機(jī)械裝置上A.一個(gè)轉(zhuǎn)軸，超聲波換能器圍繞該轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)來(lái)改變換能器的發(fā)射和接收方向B.一套真空或磁力吸盤，通過(guò)吸附在不同的表面上來(lái)改變換能器的發(fā)射和接收的方向；C.一套彎曲的滑軌，超聲波換能器在滑軌上運(yùn)動(dòng)而改變換能器發(fā)射或接收的方向；D.一套安裝夾具，通過(guò)改變夾持的部位或方式，來(lái)改變換能器的發(fā)射和接收的方向；或者，在超聲波換能器的前方的一塊反射角度可變的反射板，通過(guò)調(diào)節(jié)反射板的反射角度來(lái)改變所述換能器發(fā)射或者接收的超聲波的方向；或者是所述各種結(jié)構(gòu)的混合；并且，在所述手寫板的電路中，還包含有一個(gè)通過(guò)I/O端口與所述微控制器系統(tǒng)相連接的警示告知單元；在所述的微控制器系統(tǒng)的非易失性存儲(chǔ)器中，還存儲(chǔ)有當(dāng)手寫板用于坐姿監(jiān)測(cè)時(shí)，控制超聲波發(fā)射器和接收器采集超聲波在空間傳播的時(shí)間、計(jì)算被監(jiān)測(cè)者頭部絕對(duì)或相對(duì)位置的數(shù)值計(jì)算、并判斷是否需要控制所述警示告知單元?jiǎng)幼鞯目蓤?zhí)行代碼；以及一組用來(lái)判斷被監(jiān)測(cè)者頭部的位置是否在設(shè)定的警告區(qū)之內(nèi)的判定參考值；所述可執(zhí)行代碼模塊通過(guò)一個(gè)與所述微控制器相連接的開(kāi)關(guān)來(lái)控制其啟動(dòng)。
上述技術(shù)方案可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被監(jiān)測(cè)者頭部在二維空間內(nèi)的檢測(cè)，在某些情況下已經(jīng)基本上能滿足實(shí)際的需要，但是更好的技術(shù)方案是實(shí)現(xiàn)對(duì)被監(jiān)測(cè)者的頭部在三維空間內(nèi)的絕對(duì)或者相對(duì)位置的檢測(cè)，并且如果進(jìn)一步希望被監(jiān)測(cè)者的頭上或身上不附帶任何輔助部件，并且實(shí)現(xiàn)最低的成本目標(biāo)，則可以都調(diào)整為一路發(fā)射器加上三路不位于同一直線上接收器的結(jié)構(gòu)，同時(shí)，還可以將其中的一路接收器用收發(fā)共用的超聲波換能器替換。如果是新增加的接收器，可以與其它兩只現(xiàn)有的接收器中的一只共用一套信號(hào)接收處理電路。這樣，本發(fā)明在用于坐姿監(jiān)視時(shí)就可徹底脫離手寫筆的束縛，為使用者提供更大的方便性和舒適性。
根據(jù)上面對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案的描述可知，使用本發(fā)明中的某種具體的技術(shù)方案，能夠在幾乎不增加手寫板生產(chǎn)成本的條件下，將手寫板的使用范圍擴(kuò)展到了學(xué)習(xí)保健方面。


圖1基本手寫板與本發(fā)明的幾何學(xué)原理之間的關(guān)系的示意2二維空間監(jiān)測(cè)區(qū)域示意3本發(fā)明的基本安裝結(jié)構(gòu)示例的側(cè)視示意4使用安裝夾具或吸盤安裝本發(fā)明的手寫板的側(cè)視示意5使用滑軌安裝本發(fā)明的超聲波手寫板的側(cè)視示意6超聲波反射板的安裝位置側(cè)視示意7超聲波發(fā)射源在發(fā)夾或者發(fā)帶上的安裝示意8超聲波手寫筆在發(fā)帶或者發(fā)夾上的安裝示意9超聲波手寫筆在接收器的殼體上的安裝示意10本發(fā)明電路系統(tǒng)的一種總體結(jié)構(gòu)方框11一種使用收發(fā)共用的超聲波換能器時(shí)換能器與電路連接的原理圖具體實(shí)施方式
首先根據(jù)圖1說(shuō)明本發(fā)明的在二維或者三維空間內(nèi)對(duì)被監(jiān)測(cè)者實(shí)施檢測(cè)的幾何原理。在圖1中，101是坐在書桌104前面的椅子105上的被監(jiān)控者的頭部，102是安裝超聲波手寫板的書寫底板，或支撐板。用作坐姿監(jiān)視時(shí)，超聲波手寫板放置或安裝在被監(jiān)測(cè)者面部的前方，因?yàn)楸景l(fā)明的一種結(jié)構(gòu)需要被監(jiān)測(cè)者的頭面部反射超聲波，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)其頭部位置的監(jiān)測(cè)。由于人體的其它部位對(duì)超聲波的反射不如額面部好，所以本發(fā)明中手寫板放置在人體額面部的前方。圖中XYZO是設(shè)定的參考坐標(biāo)系，點(diǎn)P1(x1，y1，z1)、P2(x2，y2，z2)是原手寫板上的兩個(gè)接收器，這兩個(gè)接收器既可以接收由手寫筆103發(fā)射的或者反射超聲波發(fā)射器P0(x0，y0，z0)發(fā)射的超聲波，也可以接收由被監(jiān)測(cè)者的頭面部的反射點(diǎn)P(x，y，z)反射發(fā)射器P0所發(fā)射的超聲波。如果實(shí)施二維的檢測(cè)，對(duì)于前述前第一、二種結(jié)構(gòu)的手寫板，只需要這兩只接收器和一個(gè)發(fā)射源即可讓接收器面對(duì)著被監(jiān)測(cè)者，將手寫筆夾持在使用者的發(fā)夾或者衣領(lǐng)上，甚至插在衣服上邊的口袋里讓發(fā)射器露在外面，都能實(shí)現(xiàn)一定程度的監(jiān)測(cè)功能；對(duì)于前述的第三種手寫板，雖然有三個(gè)接收器P1、P0和P2，多了一個(gè)距離D0，但基本原理相同，詳細(xì)內(nèi)容可參考前述的現(xiàn)有技術(shù)，其手寫筆同樣可與第一、二種以相同的使用方式用于監(jiān)測(cè)。對(duì)于第四種反射結(jié)構(gòu)的手寫板，只要讓發(fā)射器也一同面向被監(jiān)測(cè)者，即可實(shí)現(xiàn)上述監(jiān)測(cè)功能。圖2給出了實(shí)施所述二維監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)區(qū)域的示意圖。從圖中可以看到，如果只有P1和P2兩個(gè)接收器，那么與P1、P2的距離分別等于D1和D2的點(diǎn)的集合，是一個(gè)以通過(guò)P1和P2的直線為圓心的一個(gè)圓202，被監(jiān)測(cè)者坐姿不良時(shí)、頭部貼近桌面時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡也近似是一個(gè)圓201，兩個(gè)圓的交集部分203所示的陰影部分及其右邊的區(qū)域，就是應(yīng)該警示告知被監(jiān)測(cè)者的區(qū)域。在設(shè)定了該區(qū)域之后，就可以得到D1和D2或者P點(diǎn)的坐標(biāo)值的一個(gè)集合，即前述的判定參考值。
這樣，被監(jiān)測(cè)者頭部的位置，可以是絕對(duì)的，即通過(guò)求解方程組得到被監(jiān)測(cè)者頭部位置在參考坐標(biāo)系XYZO內(nèi)的坐標(biāo)；也可以是相對(duì)的，如D1和D2的值或下面所述的渡越時(shí)間值。無(wú)論對(duì)于二維還是三維空間額應(yīng)用，都可以利用絕對(duì)或者相對(duì)位置的數(shù)值來(lái)實(shí)施監(jiān)測(cè)。
如果需要得到更完善的三維立體的監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)于前述第一、第二和第四種結(jié)構(gòu)的手寫板，則需要新增一個(gè)不在同一直線上的接收器，如圖1中的Pm(xm，ym，zm)。如果進(jìn)一步希望被監(jiān)測(cè)者的頭上不附帶任何輔助部件，并且實(shí)現(xiàn)最低的成本目標(biāo)，則這個(gè)接收器應(yīng)該是一個(gè)收發(fā)共用的超聲波換能器。這樣，則可以取消圖1中的Po，代替以Pm。這樣，設(shè)定室溫下的聲速為v，設(shè)在發(fā)射器發(fā)射出超聲波后，被人體額面部的點(diǎn)P反射，而后到達(dá)各個(gè)接收器，超聲波在空氣中的渡越時(shí)間分別為t1、t2、tm，則可以得到以下方程組D12=(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2D22=(x2-x)2+(y2-y)2(z2-z)2Dm2=(xm-x)2+(ym-y)2+(zm-z)2D1+Dm=v*t1D2+Dm=v*t22Dm=v*tm]]>求解這個(gè)方程組，可得到點(diǎn)P位置的一組有意義的坐標(biāo)值。如果是第三種結(jié)構(gòu)的手寫板，則只需要將Po移動(dòng)到Pm所在的位置，并以收發(fā)兩用的換能器替代，可得同樣結(jié)果。這個(gè)方程組與手寫板用于定位手寫筆的方程組相比，其區(qū)別僅僅在于二維與三維的區(qū)別，也就是需要求解的未知數(shù)的數(shù)量不同，其解析幾何的原理完全一樣。
從上面介紹的基本原理可知，本發(fā)明的一個(gè)主要內(nèi)容是改變發(fā)射器和接收器所發(fā)射或者接收的超聲波的，使所述換能器能夠或者沿手寫板書寫平面發(fā)射或接收超聲波或者向手寫板前方的空間內(nèi)發(fā)射超聲波或接收來(lái)自該方向的超聲波。圖3——圖6給出了實(shí)現(xiàn)這種目的的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并且圖3還給出了在為了實(shí)現(xiàn)三維立體空間監(jiān)測(cè)時(shí)，第三只接收器的一種安裝原理和結(jié)構(gòu)。圖3中用作示例的手寫板是市場(chǎng)上最常見(jiàn)的、前述的第二種手寫板。圖中，兩只接收器302安裝在手寫板的殼體301之中，而殼體通過(guò)側(cè)面端部的支架304上的轉(zhuǎn)軸305，安裝在支撐底板102上。當(dāng)作為手寫板使用時(shí)，手寫筆103所發(fā)射的超聲波312經(jīng)反射錐被反射到接收器的接收面上，實(shí)現(xiàn)手寫功能。當(dāng)用作坐姿監(jiān)視時(shí)，將殼體繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)180°，接收器隨之旋轉(zhuǎn)到位置306，這樣兩只接收器就都可以接收從被監(jiān)測(cè)者面部方向傳播過(guò)來(lái)的超聲波313。這里的超聲波，可以是新增的發(fā)射器307或圖9所示的手寫筆所發(fā)射而被被監(jiān)測(cè)者頭面部所反射的超聲波，也可以是后面圖7、圖8所示的發(fā)射源所發(fā)射的超聲波。
針對(duì)前述第一、二、三種類型的手寫板，如果不希望被監(jiān)測(cè)者佩戴任何發(fā)射源以增加易用性和舒適性，則可以增加一只發(fā)射器307，其驅(qū)動(dòng)電路安裝在手寫板的外殼之內(nèi)，二者通過(guò)導(dǎo)線311相連接。特別對(duì)于第一種使用有線手寫筆的手寫板，其殼體內(nèi)已經(jīng)包含有超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)部分，只需通過(guò)切換開(kāi)關(guān)和導(dǎo)線，將所述新增的發(fā)射器和手寫筆中的發(fā)射器與所述的驅(qū)動(dòng)電路相連接；例如使用與收音機(jī)里常用的耳機(jī)插頭插座結(jié)構(gòu)相同或類似的插頭座來(lái)連接手寫筆，本身就包含有切換開(kāi)關(guān)。圖中還給出了該新增發(fā)射器的一種安裝示例的截面圖該發(fā)射器及其帶有轉(zhuǎn)軸310的保護(hù)殼309，都安裝在支撐底板的另一端的凹形缺口308中。如果安裝的是一個(gè)收發(fā)兼用的超聲波換能器，則相當(dāng)于同時(shí)又增加了一路接收器；為了降低硬件成本，可以與另外兩只接收器中的一只共用一個(gè)信號(hào)處理電路通道。這樣再配合上對(duì)應(yīng)的控制、計(jì)算軟件，就可以實(shí)現(xiàn)所述三維立體空間內(nèi)的監(jiān)測(cè)。
圖4給出的是使用真空或磁性吸盤(對(duì)含有鐵磁性材料的支撐底板)401，或者安裝夾具402的示例安裝結(jié)構(gòu)；圖5給出的是使用彎曲的滑軌501和殼體上的滑塊502的示例安裝方案。圖6給出的是使用一塊反射角度可變的反射板601的安裝示例方案。這里的結(jié)構(gòu)都是僅僅對(duì)手寫板本身的安裝，對(duì)于新增的換能器依然可參照?qǐng)D3實(shí)施。
另外，對(duì)與本發(fā)明在“手寫/監(jiān)測(cè)”模式之間的切換，可以使用一只與手寫板中微控制器系統(tǒng)的硬件和某個(gè)參考電平Vref相連接的開(kāi)關(guān)603(僅在圖6中給出示例)來(lái)實(shí)現(xiàn)。更進(jìn)一步的方式是通過(guò)某種結(jié)構(gòu)602，跟隨著圖3-圖6中接收器的動(dòng)作來(lái)控制所述開(kāi)關(guān)；這時(shí)這個(gè)開(kāi)關(guān)可以選用磁控或行程、光電、角度、壓力、開(kāi)關(guān)等諸多類型中的一種。
圖7和圖8是一種頭戴式的技術(shù)方案，針對(duì)前述第二種兩點(diǎn)無(wú)線型的手寫板。圖中使用了一個(gè)附件——發(fā)夾或者發(fā)帶701，并在上面安裝有另外一套與所述手寫筆中電路結(jié)構(gòu)相同的超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路及其驅(qū)動(dòng)的發(fā)射器702。圖8示例的結(jié)構(gòu)是在發(fā)夾或發(fā)帶上安裝了一個(gè)夾子801把手寫筆安裝在發(fā)帶上。由于超聲波發(fā)射電路的耗能很低，幾粒幾十毫安時(shí)的紐扣電池就可以連續(xù)工作幾十小時(shí)，因此可以在發(fā)夾或發(fā)帶上安裝光電池703為發(fā)射電路供電。當(dāng)然，使用手寫筆的時(shí)候，手寫筆上要有相應(yīng)的供電接口。
圖9則是針對(duì)前述第二種兩點(diǎn)無(wú)線型的手寫板的、利用被監(jiān)測(cè)者頭面部反射超聲波的一種技術(shù)方案。在手寫板的外殼301上設(shè)置一個(gè)卡槽901，手寫筆安裝在這個(gè)卡槽之中；在殼體301上靠近手寫筆的紅外發(fā)射器903的表面上，再安裝一套與原用作手寫板所使用的紅外接收元件904相同的紅外接收元件902。這時(shí)還可以在卡槽內(nèi)和手寫筆上設(shè)置對(duì)應(yīng)的接點(diǎn)，由手寫板為手寫筆供電以節(jié)省手寫筆中的電池。但接收元件904并不是必須的，一方面可以利用人體來(lái)反射紅外線，依然通過(guò)原有的接收元件902來(lái)接收；另一方面如果在卡槽和手寫筆上設(shè)置了接點(diǎn)，那么可以通過(guò)直接的電氣連接來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收的同步。
圖10給出的是本發(fā)明最完善技術(shù)方案的一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖，可以徹底脫離手寫筆的束縛，實(shí)現(xiàn)對(duì)被監(jiān)測(cè)者頭部在三維立體空間內(nèi)絕對(duì)或者相對(duì)位置的監(jiān)測(cè)。圖中，接收器1004、1005及其配合的信號(hào)處理電路1007、1008紅外接收元件1009及其信號(hào)處理電路1010，以及微控制器系統(tǒng)1011及其內(nèi)部的計(jì)數(shù)器單元1012、1013、手寫板與計(jì)算機(jī)的接口1016構(gòu)成了前述第二種類型的手寫板信號(hào)接收處理部分的基本結(jié)構(gòu)。因?yàn)樾枰帽槐O(jiān)測(cè)者頭部的對(duì)超聲波的反射來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的目的，所以系統(tǒng)中增加一個(gè)發(fā)射器1001及其驅(qū)動(dòng)電路1002，以及第三路接收器1003。第三路接收器可以通過(guò)被微控制器系統(tǒng)1011控制切換開(kāi)關(guān)1006與原來(lái)的接收器共用一套信號(hào)處理通道，如圖中與接收器1004共用電路1007。在這種結(jié)構(gòu)一下，微控制器系統(tǒng)需要再一次監(jiān)測(cè)時(shí)連續(xù)發(fā)射兩次超聲波第一次發(fā)射超聲波的反射波被接收器1004、1005接收；第二次發(fā)射的反射波被1003接收到。當(dāng)然另外的組合也可以。由于被監(jiān)測(cè)者在使用監(jiān)測(cè)功能時(shí)，應(yīng)該坐在桌子邊上讀書或者寫字，基本上處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此在兩次發(fā)射超聲波的幾十毫秒的時(shí)間間隔內(nèi)，頭部的位移完全可以忽略，所以這種方案是可行的。對(duì)于前述的第一種、第三種和第四種類型的手寫板，仍然按照?qǐng)D10所示的結(jié)構(gòu)改造，根據(jù)是否有超聲波發(fā)射單元，以及原有幾各超聲波接收器及其信號(hào)處理通道，來(lái)確定組要增加的部件或單元。為了實(shí)現(xiàn)在三維立體空間的監(jiān)視，無(wú)論第三只接收器是新增的還是原有的，都應(yīng)該能按照?qǐng)D3所示的方式，被安裝在或者移動(dòng)到與另外兩只不在同一直線的位置上。圖中的警示告知單元1014無(wú)論對(duì)于本圖所示的實(shí)施方案，還是前述其他技術(shù)方案都是需要的，其中包含有聲、光元件及其驅(qū)動(dòng)電路，如蜂鳴器或發(fā)光管或這類元件的組合，在被監(jiān)測(cè)者頭部的反射信號(hào)不符合設(shè)定條件時(shí)發(fā)出警示信號(hào)。圖中，監(jiān)視功能的啟動(dòng)開(kāi)關(guān)603與一個(gè)參考電平Vref相連接。對(duì)于一般常用的微控制器，Vref通常選用電源或者地電平。
圖11是對(duì)圖10的進(jìn)一步低成本化的設(shè)計(jì)，使用了一只收發(fā)兼用的超聲波換能器1101來(lái)替代圖10中的發(fā)射器1001和接收器1003。圖中給出了一個(gè)適配網(wǎng)絡(luò)的示例，換能器1101通過(guò)隔直電容C后與由衰減電阻R和兩只反向?qū)Φ夭⒙?lián)的二極管構(gòu)成的隔離箝位電路1102，與信號(hào)處理電路1103的輸入端相連接。如果是新增的換能器，則信號(hào)處理電路1103中還應(yīng)當(dāng)包含有切換開(kāi)關(guān)1006。雖然有了隔離箝位電路，但是為了避免在發(fā)射超聲波脈沖的時(shí)候造成輸出飽和，或者在超聲波被發(fā)射出的一段時(shí)間內(nèi)避免誤觸發(fā)計(jì)時(shí)器，還可以在電路中串入由我控制器系統(tǒng)的I/O端口控制的隔離開(kāi)關(guān)1104，在發(fā)射超聲波時(shí)將放大器的輸入端對(duì)地短路。如果超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路的輸出阻抗比較低，為了避免換能器的阻抗失配，還可以在發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路的輸出端插入由兩只反向連接的二極管構(gòu)成的阻抗隔離單元1105。
由于本發(fā)明的核心內(nèi)容依然是測(cè)距和位置計(jì)算，所以新增用于監(jiān)視功能的程序代碼，其核心內(nèi)容與手寫板原有的程序結(jié)構(gòu)相同，很多內(nèi)容可以通用甚至更簡(jiǎn)單，比如如果只使用相對(duì)位置來(lái)實(shí)施比較監(jiān)測(cè)，那么就可以省略坐標(biāo)值計(jì)算部分的代碼。完全新增的部分只有一組比較判斷代碼，以判斷被監(jiān)測(cè)者頭部的位置是否在設(shè)定的警告區(qū)之內(nèi)。用于實(shí)現(xiàn)所述的判斷功能的判定參考值，可以根據(jù)圖1或圖2所示的原理，按照使用者的年齡統(tǒng)計(jì)得到的平均身高等參數(shù)設(shè)定若干組數(shù)值，利用PC計(jì)算機(jī)來(lái)選擇或輸入。更方便的方法是利用手寫板本身來(lái)測(cè)量計(jì)算得到；在被監(jiān)測(cè)者坐姿正確的情況下，利用可執(zhí)行代碼控制換能器發(fā)射和接收超聲波，采集前述的渡越時(shí)間值，再通過(guò)計(jì)算得到被監(jiān)測(cè)者頭部的相對(duì)位置或者坐標(biāo)值；進(jìn)而根據(jù)設(shè)定的規(guī)則(如測(cè)定的坐標(biāo)值是否符合能表示坐姿合適的空間方程、或與換能器的距離縮短到多少就判定為坐姿不當(dāng))計(jì)算得到判定參考值，存儲(chǔ)到所述非易失性存儲(chǔ)器中。
本發(fā)明主要公開(kāi)了利用超聲波手寫板在二維或者三維空間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被監(jiān)測(cè)者讀寫時(shí)的坐姿實(shí)施監(jiān)視的基本原理和一些技術(shù)方案的示例。依據(jù)這種原理還可以設(shè)計(jì)出多種可實(shí)施的技術(shù)方案，因此在本發(fā)明的基本內(nèi)容的基礎(chǔ)上，對(duì)于本發(fā)明的簡(jiǎn)化、替代、改進(jìn)，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種帶有坐姿監(jiān)視功能的超聲波手寫板，包含有一支手寫筆，由一組超聲波換能器及其配合的驅(qū)動(dòng)和信號(hào)處理、抬筆落筆檢測(cè)電路、構(gòu)成手寫板主體并在其中安裝換能器的外殼及結(jié)構(gòu)件，以及用于控制整個(gè)系統(tǒng)工作的微控制器系統(tǒng)所構(gòu)成的手寫板，其中超聲波發(fā)射器可以安裝在手寫筆中，也可以與超聲波接收部分一起安裝在所述的外殼之內(nèi)，其特征在于所述手寫板上還包含有一套用于改變超聲波檢測(cè)的方向的機(jī)械裝置，使所述換能器能夠或者沿手寫板書寫平面方向發(fā)射或接收超聲波；或者向手寫板前方的空間內(nèi)發(fā)射超聲波或接收來(lái)自該方向的超聲波；所述機(jī)械裝置或者是下述結(jié)構(gòu)中的一種，所述換能器通過(guò)所述殼體或結(jié)構(gòu)件安裝在該機(jī)械裝置上A.一個(gè)轉(zhuǎn)軸，超聲波換能器圍繞該轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)來(lái)改變換能器的發(fā)射和接收方向；B.一套真空或磁力吸盤，通過(guò)吸附在不同的表面上來(lái)改變換能器的發(fā)射和接收的方向；C.一套彎曲的滑軌，超聲波換能器在滑軌上運(yùn)動(dòng)而改變換能器發(fā)射或接收的方向；D.一套安裝夾具，通過(guò)改變夾持的部位或方式，來(lái)改變換能器的發(fā)射和接收的方向；或者，在超聲波換能器的前方的一塊反射角度可變的反射板，通過(guò)調(diào)節(jié)反射板的反射角度來(lái)改變所述換能器發(fā)射或者接收的超聲波的方向；或者是所述各種結(jié)構(gòu)的混合；并且，在所述手寫板的電路中，還包含有一個(gè)通過(guò)I/O端口與所述微控制器系統(tǒng)相連接的警示告知單元；在所述的微控制器系統(tǒng)的非易失性存儲(chǔ)器中，還存儲(chǔ)有當(dāng)手寫板用于坐姿監(jiān)測(cè)時(shí)，控制超聲波發(fā)射器和接收器采集超聲波在空間傳播的時(shí)間、計(jì)算被監(jiān)測(cè)者頭部絕對(duì)或相對(duì)位置的數(shù)值計(jì)算、并判斷是否需要控制所述警示告知單元?jiǎng)幼鞯目蓤?zhí)行代碼；以及一組用來(lái)判斷被監(jiān)測(cè)者頭部的位置是否在設(shè)定的警告區(qū)之內(nèi)的判定參考值；所述可執(zhí)行代碼模塊通過(guò)一個(gè)與所述微控制器相連接的開(kāi)關(guān)來(lái)控制其啟動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述帶有坐姿監(jiān)視功能的超聲波手寫板，其特征在于所述一組超聲波換能器中有兩只接收器和一只發(fā)射器，并且發(fā)射器及其驅(qū)動(dòng)電路安裝在手寫筆之中；在安裝所述超聲波接收器的同一殼體內(nèi)，還安裝有另外一套由所述微控制器系統(tǒng)控制的超聲波發(fā)射器及其驅(qū)動(dòng)電路；所述用于控制超聲波發(fā)射接收的周期代碼模塊中，包含有控制該套超聲波發(fā)射電路工作的代碼。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述帶有坐姿監(jiān)視功能的超聲波手寫板，其特征在于所述一組超聲波換能器中有兩只接收器和一只安裝在手寫筆之中的發(fā)射器，發(fā)射器的驅(qū)動(dòng)電路在安裝所述超聲波接收器的同一殼體內(nèi)；在安裝所述超聲波接收器的同一殼體內(nèi)，還安裝有另外一只超聲波發(fā)射器，所述的兩只發(fā)射器通過(guò)切換開(kāi)關(guān)和導(dǎo)線，與所述驅(qū)動(dòng)電路相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述帶有坐姿監(jiān)視功能的超聲波手寫板，其特征在于所述一組超聲波換能器中有兩只接收器和一只發(fā)射器，所述手寫筆是一支用于反射超聲波的手寫筆，所述超聲波換能器中的發(fā)射器及其驅(qū)動(dòng)電路，安裝在所述安裝超聲波接收器的同一殼體之內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3、4所述帶有坐姿監(jiān)視功能的超聲波手寫板，其特征在于與所述接收器安裝在同一殼體內(nèi)的超聲波發(fā)射器，是一只收發(fā)兼用的超聲波換能器，該換能器的一個(gè)安裝位置，與所述其它接收器不在同一直線的上；該換能器與所述超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路的輸出端相連接，并且通過(guò)一個(gè)隔離限幅網(wǎng)絡(luò)、一個(gè)被所述微控制器系統(tǒng)所控制的切換開(kāi)關(guān)，與手寫板內(nèi)其它接收器中的一只共用一套信號(hào)處理電路；與被共用的信號(hào)接收電路的輸入端相連接；所述數(shù)值計(jì)算的代碼中，包含有計(jì)算三維絕對(duì)或者相對(duì)坐標(biāo)的代碼。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述帶有坐姿監(jiān)視功能的超聲波手寫板，其特征在于所述超聲波換能器中的發(fā)射器及其驅(qū)動(dòng)電路安裝在手寫筆之中；在所述手寫板中還包含有另外一套與所述手寫筆中電路結(jié)構(gòu)相同的超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路及其驅(qū)動(dòng)的發(fā)射器；該發(fā)射器及其驅(qū)動(dòng)電路安裝在一條發(fā)帶或者發(fā)夾中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述帶有坐姿監(jiān)視功能的超聲波手寫板，其特征在于所述超聲波換能器中的發(fā)射器及其驅(qū)動(dòng)電路安裝在手寫筆之中；在所述的手寫板中還包含有一條發(fā)帶或發(fā)夾，該發(fā)帶帶有一個(gè)夾子，所述手寫筆可以安裝到夾子之內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的超聲波手寫板，其特征在于所述發(fā)帶或發(fā)夾的表面上安裝有太陽(yáng)能電池。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述帶有坐姿監(jiān)視功能的超聲波手寫板，其特征在于所述一組超聲波換能器中有兩只接收器和一只發(fā)射器，并且發(fā)射器及其驅(qū)動(dòng)電路安裝在手寫筆之中；在手寫板的外殼上設(shè)置一個(gè)卡槽，手寫筆安裝在這個(gè)卡槽之中。
10.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述帶有坐姿監(jiān)視功能的超聲波手寫板，其特征在于所述手寫板的超聲波換能器中，除了有兩個(gè)接收器及其配合的驅(qū)動(dòng)和信號(hào)處理；還有第三個(gè)安裝在與所述兩只接收器不在同一直線的位置上，并且與所述兩只接收器中的一只，通過(guò)一個(gè)被所述微控制器系統(tǒng)所控制的切換開(kāi)關(guān)共用一套信號(hào)處理電路的超聲波接收器；并且所述數(shù)值計(jì)算的代碼中，包含有計(jì)算三維絕對(duì)或者相對(duì)坐標(biāo)的代碼。
全文摘要
一種帶有坐姿監(jiān)視功能的超聲波手寫板，在不影響手超聲波寫板手寫輸入的功能的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加一套用于改變超聲波檢測(cè)的方向的機(jī)械裝置，使超聲波換能器能夠或者沿手寫板書寫平面方向發(fā)射或接收超聲波；或者向手寫板前方的空間內(nèi)發(fā)射超聲波或接收來(lái)自該方向的超聲波；使用與手寫板一樣的原理和技術(shù)，來(lái)測(cè)量被監(jiān)測(cè)者頭部的絕對(duì)或相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)坐姿監(jiān)測(cè)目的。針對(duì)現(xiàn)有四種類型的超聲手寫板，本發(fā)明給出了實(shí)現(xiàn)在二維或者三維空間內(nèi)對(duì)被監(jiān)測(cè)者的頭部位置實(shí)施監(jiān)測(cè)的多種實(shí)施例，還給出了一個(gè)通過(guò)新增一路收發(fā)兼用的超聲波換能器、實(shí)現(xiàn)三維空間監(jiān)測(cè)的實(shí)施例。本發(fā)明大大擴(kuò)展超聲波手寫板的使用范圍，將超聲波手寫板的應(yīng)用擴(kuò)展到了學(xué)習(xí)保健方面。
文檔編號(hào)G01S15/00GK101017418SQ20061000341
公開(kāi)日2007年8月15日 申請(qǐng)日期2006年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月6日
發(fā)明者劉中華 申請(qǐng)人:劉中華