专利名称：书写训练设备及处理方法
技术领域：
本发明涉及一种汉字书写训练用的设备，尤其涉及一种用于进行汉字书 写训练用的装置、系统及方法。
背景技术：
传统的汉字书写训练中，常采用的两种主要方式为①学习者自己临 摹；②由指导教师进行手把手教学。
在第①种学习者自己临摹学习中，学习者通过视觉反馈来对自己的书写 过程进行校正，以形成正确和美观的字迹，这种训练方式需要各种字帖的辅 助。
在第②种指导教师手把手教学中，练习者感受到指导教师书写的速度、 轨迹，从而对书写过程产丰直观的感受。这种方式需要很多教师来辅助学 生，而且教师的身体和学生身体干涉，影响教师书写技能的发挥。
现在有一种临摹的过程中使用的字帖，如专利申请号为92229569.7的 "板框字帖"和专利申请号为91103796.9的"硬笔书写训练卡"，两者均设 计了一种具有力的约束的凹形字帖。其采用的结构与使用方法相似，具体如 图1所示，是在金属或非金属薄板上制出空框形笔画和凹形笔画的独体文字 及文字部件，使用时，用硬笔在字帖的空框笔画或凹形笔画中书写，逐渐练 就书写规范文字的基本功，对使用者文字书写的规范化具有强制性。
从上述对现有练习汉字书写用的字帖的结构和训练方法中，发明人发现 上述现有技术至少存在以下问题
①凹形字帖对于字形的约束采用了硬件来实现。只能训练特定的字形，
即人们利用该字帖、采用该方法，只能去学习字帖上已有的各种规则的字 形。如果要学习其他的字形，则需要首先在薄板上刻出相应的字形。这种刻 制凹形字帖的方法无疑会消耗大量的材料，而且这一过程往往需要一定的时 间周期，在实际应用中难以推广。
.②采用这种字帖、字模进行训练时，只能提供视觉上的反馈，没有发挥 人的多通道感知的优势，如触觉、力觉等，不但无法快速达到很好的辅助训 练效果，且导致训练学习周期长，使学习者生易产生厌倦心理。
发明内容
本发明提供了一种汉字书写训练装置、系统及方法。解决传统训练用的 字帖只能进行设计好字的练习，且只能提供视觉反馈的问题。可以为汉字书 写训练4是供一种方使 使用、辅助效果好的训练装置及系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的
.本发明实施方式提供了 一种书写训练设备，该设备包括
机体，用于设置各部件；
训练笔，通过传动支架设置在机体上，训练笔前端与位置传感器对应； 位置传感器，设置在机体上，用于将训练笔前端位置的变化转化为电信
号，其电信号输出端与处理控制器连接；
力执行器，设置在机体上，通过传动支架与训练笔连接；
处理控制器，设置在机体上，分别与位置传感器、力执行器和显示装置
连接，用于对接收的位置传感器输出的电信号进行处理，并根据处理结果进
行力执行器的控制动作及显示装置的输出显示；
显示装置，与处理控制器连接，用于对处理控制器的处理结果中用于输
出显示的信息进行显示。
所述处理控制器包括
接收单元，用于接收位置传感器传送的电信号； 模式设定单元，用于设定训练设备的训练模式；
.信息处理单元，用于根据模式设定单元设定的训练模式对接收单元接收 的电信号进行处理，并将处理结果信息分别传送给控制单元和显示处理单 元；
控制单元，用于根据信息处理单元的处理结果信息，对与其连接的所述 力执行器进行控制；
显示处理单元，用于与所述显示装置连接，将信息处理单元的处理结果 信息中对应训练笔的动作轨迹信息及基准对比信息输出给所述显示装置进行 显示。
所述信息处理单元进一步包括
基准信息存储单元，用于存储对比用的基准对比轨迹信息；
.主动训练模式处理子单元，用于当所述模式设定单元设定为主动训练模 式时，对接收单元接收的电信号结合基准信息存储单元的基准对比轨迹信息 进行处理，并将处理结果信息分别传送给控制单元和显示处理单元；
被动训练模式处理子单元，用于当所述模式设定单元设定为被动训练模 式时，对接收单元接收的电信号结合基准信息存储单元的基准对比轨迹信息 进行处理，并将处理结果信息分别传送给控制单元和显示处理单元；
干扰训练模式处理子单元，用于当所述模式设定单元设定为干扰训练模 式时，对接收单元接收的电信号结合基准信息存储单元的基准对比轨迹信息 进行处理，并将处理结果信息分别传送给控制单元和显示处理单元；
强化训练模式处理子单元，用于当所述模式设定单元设定为强化训练模 式时，对接收单元接收的电信号结合基准信息存储单元的基准对比轨迹信息 进行处理，并将处理结果信息分别传送给控制单元和显示处理单元。
所述位置传感器采用空间位置传感器； 或者，所述的力执行器采用电动机。
本发明实施方式还提供了一种基于上述设备的处理方法，该方法包括 训练笔的动作变化时，位置传感器记录训练笔前端的位置变化，并将记
录的位置变化转变为电信号；
处理控制器接收并根据设定的训练模式处理位置传感器输出的电信号，
将处理结果信息分别传送给力执行器与显示装置；
根据所述处理结果信息通过力执行器控制训练笔执行相应的控制动作； 显示装置根据接收的所述处理结果信息显示基准对比轨迹信息及训练笔
前端的动作轨迹图像。
所述方法进一步包括
处理控制器根据设定的主动训练模式，将基准对比轨迹信息与位置传感 器输出的电信号转换的轨迹图像输出到显示装置共同进行显示，并控制力执 行器为不动作状态。
所述方法还包括
处理控制器根据位置传感器输出的电信号转换的轨迹图像与基准对比轨 迹信息的区别，通过力执行器控制训练笔的动作完成纠错处理。 所述方法进一步包括
处理控制器根据设定的被动训练模式，将基准对比信息及位置传感器输 出的电信号转换的轨迹图像共同输出到显示装置进行显示，并控制力执行器 控制训练笔按基准对比轨迹信息的轨迹进行动作。
所述方法进一步包括
处理控制器根据设定的干扰训练模式，将基准对比轨迹信息与位置传感 器输出的电信号转换的轨迹图像共同输出到显示装置进行显示，并控制力执 行器向训练笔施加干扰力，使训练笔在干扰力下工作。
所述方法进一步包括
'处理控制器根据设定的强化训练模式，将基准对比轨迹信息与位置传感 器输出的电信号转换的轨迹图像共同输出到显示装置进行显示，并控制力执 行器按训练笔的轨迹图像中的书写轨迹向训练笔施加与书写轨迹相反的力， 使训练笔在相反力的作用下工作。
由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施方式通过机 体、训练笔、位置传感器、力执行器、处理控制器和显示装置构成书写训练 设备，可以利用位置传感器采集训练笔的动作轨迹，并将其映射到显示装置 上进行显示，在不同的训练模式下可以通过力执行器向训练笔施加相应的力 控制训练笔，达到辅助使用者进行正确书写训练的目的。该设备结构简单、 使用方便、充分利用了认知心理学的原理，可以达到辅助使用者快速学习、 强化书写技能的目的。
图1为现有技术提供的练习汉字用的字帖的结构示意图2为本发明实施例的训练设备的结构示意图3为本发明实施例的训练设备中的处理控制器的结构框图4为本发明实施例的训练设备的另一处理控制器的结构框图5为本发明实施例的训练设备各部件工作关系示意图6为本发明实施例的训练设备的处理方法与认知理论的对比图7为本发明实施例的设备在干扰训练模式下施加干扰力的示意图8为本发明实施例的设备在强化训练模式下施加相反力的示意图。
具体实施例方式
本发明实施方式提供了 一种书写训练设备及处理方法，所述设备通过将 训练笔、位置传感器、力执行器、处理控制器和显示装置设置在机体上构成书写训练设备，可以利用位置传感器采集训练笔的动作轨迹，并将其映射到 显示装置上进行显示，在不同的训练模式下可以通过力执行器向训练笔施加 相应的力，进而控制训练笔的动作，达到辅助使用者在训练笔的带动下进行 正确书写的训练目的。该设备结构简单、使用方便、充分利用了认知心理学 的原理，通过训练笔带动的触觉及显示装置的视觉结合，可以达到辅助使用 者快速学习、强化书写技能的目的。
为便于理解，下面结合附图和具体的实施例对具体的实施方式进行说明。
实施例一
如图2所示，本发明实施方式提供了一种书写训练设备，可以用于对汉 字的书写进行训练引导，该设备包括 机体l，用于安装各部件；
训练笔2，通过传动支架设置在机体1上，训练笔2前端与位置传感器4 对应；
位置传感器4，设置在机体l上，用于将训练笔2前端位置的变化转化为 电信号，其电信号输出端与处理控制器7连接；
力执行器6，设置在机体l上，通过传动支架5与训练笔2连接，实际中 力执行器6可以采用电动才几；
处理控制器7，设置在机体l上，分别与位置传感器4、力执行器6和显 示装置2连接，用于对接收的位置传感器4输出的电信号进行处理，并根据 处理结果进行力执行器6的控制动作及显示装置2的输出显示；
显示装置2,与处理控制器7连接，用于对处理控制器7的处理结果中用 于输出显示的信息进行显示，实际中，显示装置2可以采用CRT或液晶等显示 器。
实际中，使用训练笔进行书写训练，当进行书写动作时，力执行器施加一个作用力给训练笔，在训练笔下按到一定程度受到一个阻力，让使用者产 生一种将训练笔按在纸上进行书写的感觉。
如图3所示，所述处理控制器7包括 接收单元，用于接收位置传感器传送的电信号； 模式设定单元，用于设定训练设备的训练模式；
信息处理单元，用于根据模式设定单元设定的训练模式对接收单元接收 的电信号进行处理，并将处理结果信息分别传送给控制单元和显示处理单 元；
控制单元，用于根据信息处理单元的处理结果信息，对与其连接的所述 力执行器进行控制；
显示处理单元，用于与所述显示装置连接，将信息处理单元的处理结果 信息中对应训练笔的动作轨迹信息及基准对比信息输出给所述显示装置进行 显示。
如图4所示，所述信息处理单元进一歩包括 基准信息存储单元，用于存储对比用的基准对比轨迹信息； 主动训练模式处理子单元，用于当所述模式设定单元设定为主动训练模 式时，对接收单元接收的电信号结合基准信息存储单元的基准对比轨迹信息 进行处理，并将处理结果信息分别传送给控制单元和显示处理单元；
被动训练模式处理子单元，用于当所述模式设定单元设定为被动训练模 式时，对接收单元接收的电信号结合基准信息存储单元的基准对比轨迹信息 进行处理，并将处理结果信息分别传送给控制单元和显示处理单元；
干扰训练模式处理子单元，用于当所述模式设定单元设定为干扰训练模 式时，对接收单元接收的电信号结合基准信息存储单元的基准对比轨迹信息 进行处理，并将处理结果信息分别传送给控制单元和显示处理单元；
强化训练模式处理子单元，用于当所述模式设定单元设定为强化训练模
式时，对接收单元接收的电信号结合基准信息存储单元的基准对比轨迹信息 进行处理，并将处理结果信息分别传送给控制单元和显示处理单元。
本发明实施方式还提供了 一种基于上述设备的处理方法，该方法包括
训练笔的动作变化时，位置传感器记录训练笔前端的位置变化，并将记
录的位置变化转变为电信号；
处理控制器接收并根据设定的训练模式处理位置传感器输出的电信号， 将处理结果信息分别传送给力执行器与显示装置；
根据所述处理结果信息通过力执行器控制训练笔执行相应的控制动作；
显示装置根据接收的所述处理结果信息显示基准对此轨迹信息及训练笔 前端的动作轨迹图像。
所述方法进一步包括
处理控制器根据设定的主动训练模式，将基准对比轨迹信息与位置传感 器输出的电信号转换的轨迹图像输出到显示装置共同进行显示，并控制力执 行器为不动作状态。
所述方法还包括
.处理控制器根据位置传感器输出的电信号转换的轨迹图像与基准对比轨 迹信息的区别，通过力执行器控制训练笔的动作完成纠错处理；如可以计算 训练笔的笔尖位置偏离到预定书写任务的轨迹的最小距离，根据此偏移距离 的大小，按照一定的关系输出力(如输出力的大小可以与偏离的距离成正比 的关系)，并通过力执行器输出，从而达到对书写运动的校正。
所述方法进一步包括
处理控制器根据设定的被动训练模式，将基准对比信息及位置传感器输 出的电信号转换的轨迹图像共同输出到显示装置进行显示，并控制力执行器 控制训练笔按基准对比轨迹信息的轨迹进行动作。
所述方法进一步包括
处理控制器根据设定的干扰训练模式，将基准对比轨迹信息与位置传感 器输出的电信号转换的轨迹图像共同输出到显示装置进行显示，并控制力执 行器向训练笔施加干扰力，使训练笔在干扰力下工作。
所述方法进一步包括
处理控制器根据设定的强化训练模式，将基准对比轨迹信息与位置传感 器输出的电信号转换的轨迹图像共同输出到显示装置进行显示，并控制力执 行器按训练笔的轨迹图像中的书写轨迹向训练笔施加与书写轨迹相反的力， 使训练笔在相反力的作用下工作。
本实施例训练设备的各部件关系如图5所示，其中，使用者用手控制笔
练习时，位置传感器获取训练笔的位置信息和力信息，传递给处理控制器， 处理控制器处理后，送给显示装置对训练笔的书写轨迹进行显示，对使用者 进行视觉反馈。且处理控制器根据设定的不同的训练模式，通过力执行器对 训练笔施加不同的力，辅助使用者完成书写训练，这便对使用者造成了视 觉、触觉的多重反4贵，达到强化训练的目的。
.上述的设备及相应的处理方法，充分利用了认知心理学对技能学习定
义，认知心理学将技能学习分为认知、联想、和自动化三个阶段。
具体使用该设备进行汉字的书写训练时，可以使用下述几种模式，也可 以几种模式混合使用，以达到更好的效果
① 主动训练模式，使使用者感受到训练笔书写速度和轨迹信息；
② 被动训练模式，使用者在训练自我探索过程中得到矫正，从而形成正 确的书写习惯；
③ 强化训练模式，使用者在克服阻力的过程中，强化动作技能；
④ 干扰训练模式，训练使用者抗干扰能力，以及检验书写的熟练程度。 如可以按下述方式进行训练
将上述设备设定为主动训练模式，此时使用者可以使用训练笔进行主动
书写，在显示装置上显示书写的轨迹及用于参照的汉字的基准对比轨迹信 息，训练者根据汉字的基准对比轨迹信息的笔划进行书写，达到认知所训练
的汉字的目的；
主动训练进行一阶段后，可以进行被动训练才莫式，所述设备根据反应汉 字信息的基准对比轨迹信息中汉字的轨迹，控制训练笔按基准对比轨迹信息 中汉字的轨迹进行书写，此时训练者手握训练笔时，处于被动跟随书写状 态，达到联想加强在主动训练阶段练习的效果。
上述的训练方式借鉴了经典的Fitts认知理论，具体对比可以参照图6所 示，是基于双模式触觉交互的训练方法，即基于主动式触觉交互模式的反馈 训练用于认知段、基于被动式触觉交互模式的反馈训练用于联想段；
也可以采用干扰训练模式，通过力执行器对使用者所持的训练笔施加干 扰力，在书写过程中，使用者手握的训练笔受到力执行器施加的各种形式多 样的干扰力的影响，此干扰力对使用者的正常的书写过程产生不良影响。而 抗干扰的能力是检验动作能力水平高低的衡量因素，因而可以在此模式下检 验使用者的书写能力。如可以以正弦干扰力为例，人在书写过程中，始终受 到如图7所示的力的干扰。
也可以采用强化模式，在书写过程中，使用者始终受到一个与正常的书 写方向相反方向的力，人必须克服这个阻力才能向前运动。以典型的汉字基 本笔画"J，，为列，正常的书写的方向如蓝线条所示，所受到的阻力的图8中如 带有箭头的线条所示。在克服阻力的过程中，加深书写能力。
综上所述，本发明实施方式通过将训练笔、位置传感器、力执行器、处 理控制器和显示装置设置在机体上构成书写训练设备，可以利用位置传感器 采集训练笔的动作轨迹，并将其映射到显示装置上进行显示，在不同的训练 模式下可以通过力执行器向训练笔施加相应的力，进而控制训练笔的动作， 达到辅助使用者在训练笔的带动下进行正确书写的训练目的。该书写训练设备不仅能针对初学者进行汉字的书写训练，而且对中风病人进行训练，能使 病人恢复对手的控制能力，对帮助康复也有一定的效果。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可 轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明 的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1、一种书写训练设备，其特征在于，该设备包括机体，用于设置各部件；训练笔，通过传动支架设置在机体上，训练笔前端与位置传感器对应；位置传感器，设置在机体上，用于将训练笔前端位置的变化转化为电信号，其电信号输出端与处理控制器连接；力执行器，设置在机体上，通过传动支架与训练笔连接；处理控制器，设置在机体上，分别与位置传感器、力执行器和显示装置连接，用于对接收的位置传感器输出的电信号进行处理，并根据处理结果进行力执行器的控制动作及显示装置的输出显示；显示装置，与处理控制器连接，用于对处理控制器的处理结果中用于输出显示的信息进行显示。
2、 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述处理控制器包括 接收单元，用于接收位置传感器传送的电信号；模式设定单元，用于设定训练设备的训练模式；信息处理单元，用于根据模式设定单元设定的训练模式对接收单元接收的电信号进行处理，并将处理结果信息分别传送给控制单元和显示处理单元；控制单元，用于根据信息处理单元的处理结果信息，对与其连接的所述力执行器进行控制；显示处理单元，用于与所述显示装置连接，将信息处理单元的处理结果信息中对应训练笔的动作轨迹信息及基准对比信息输出给所述显示装置进行 显示。
3、 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述信息处理单元进一步包括基准信息存储单元，用于存储对比用的基准对比轨迹信息；.主动训练模式处理子单元，用于当所述模式设定单元设定为主动训练模 式时，对接收单元接收的电信号结合基准信息存储单元的基准对比轨迹信息 进行处理，并将处理结果信息分别传送给控制单元和显示处理单元；被动训练模式处理子单元，用于当所述模式设定单元设定为被动训练模 式时，对接收单元接收的电信号结合基准信息存储单元的基准对比轨迹信息 进行处理，并将处理结果信息分别传送给控制单元和显示处理单元；干扰训练模式处理子单元，用于当所述模式设定单元设定为干扰训练模 式时，对接收单元接收的电信号结合基准信息存储单元的基准对比轨迹信息 进行处理，并将处理结果信息分别传送给控制单元和显示处理单元；强化训练模式处理子单元，用于当所述模式设定单元设定为强化训练模 式时，对接收单元接收的电信号结合基准信息存储单元的基准对比轨迹信息 进行处理，并将处理结果信息分别传送给控制单元和显示处理单元。
4、 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述位置传感器采用空间 位置传感器；或者，所述的力执行器采用电动机。
5、 一种基于权利要求1至4任一项所述设备的处理方法，其特征在于， 该方法包括训练笔的动作变化时，位置传感器记录训练笔前端的位置变化，并将记 录的位置变化转变为电信号；处理控制器接收并根据设定的训练模式处理位置传感器输出的电信号， 将处理结果信息分别传送给力执行器与显示装置；'根据所述处理结果信息通过力执行器控制训练笔执行相应的控制动作；显示装置根据接收的所述处理结果信息显示基准对比轨迹信息及训练笔 前端的动作轨迹图^f象。
6、 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括处理控制器根据设定的主动训练模式，将基准对比轨迹信息与位置传感 器输出的电信号转换的轨迹图像输出到显示装置共同进行显示，并控制力执 行器为不动作状态。 '
7、 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括 处理控制器根据位置传感器输出的电信号转换的轨迹图像与基准对比轨迹信息的区别，通过力执行器控制训练笔的动作完成纠错处理。
8、 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括 处理控制器根据设定的被动训练模式，将基准对比信息及位置传感器输出的电信号转换的轨迹图像共同输出到显示装置进行显示，并控制力执行器 控制训练笔按基准对比轨迹信息的轨迹进行动作。
9、 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括 处理控制器根据设定的干扰训练模式，将基准对比轨迹信息与位置传感器输出的电信号转换的轨迹图像共同输出到显示装置进行显示，并控制力执 行器向训练笔施加干扰力，使训练笔在干扰力下工作。
10、 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括 处理控制器根据设定的强化训练模式，将基准对比轨迹信息与位置传感器输出的电信号转换的轨迹图像共同输出到显示装置进行显示，并控制力执 行暴按训练笔的轨迹图像中的书写轨迹向训练笔施加与书写轨迹相反的力， 使训练笔在相反力的作用下工作。
全文摘要
本发明实施方式公开一种书写训练设备及处理方法。所述设备包括机体，用于设置各部件；训练笔，通过传动支架设置在机体上，训练笔前端与位置传感器对应；位置传感器，设置在机体上，用于将训练笔前端位置的变化转化为电信号，其电信号输出端与处理控制器连接；力执行器，设置在机体上，通过传动支架与训练笔连接；处理控制器，设置在机体上，分别与位置传感器、力执行器和显示装置连接，用于对接收的位置传感器输出的电信号进行处理，并根据处理结果进行力执行器的控制动作及显示装置的输出显示；显示装置，与处理控制器连接，用于对处理控制器的处理结果中用于输出显示的信息进行显示。该设备可以通过多种方式辅助人们进行汉字的书写和训练。
文档编号G09B11/00GK101201985SQ20071030377
公开日2008年6月18日 申请日期2007年12月21日 优先权日2007年12月21日
发明者俊 吴, 冲 姚, 张玉茹, 王党校 申请人:北京航空航天大学