关于项目
目前在平板电脑上使用触控笔逐渐成为了一种趋势，去年苹果公司推出的iPad Pro，可以在在精细的像素级别，打造出丰富的视觉效果,提供了流畅的输入体验。然而，目前在入门学习手写或者画画应用的时候，还非常依赖屏幕上的视觉引导。这样的引导很容易在使用的时候被手遮挡，因此新手的学习与练习过程常常是分开的，无法同步，使得学习效果会存在折扣。因此，本文Stylus Assistant提出了两种机械手臂设计，模拟儿时师长的手把手学习写字画画的过程，使用这种物理上的触觉引导，来辅助新手学习在新的应用和平台上学习写字画画。 本篇目前已经被(Siggraph-ETech)[]，感谢陈炳宇教授与梁荣豪博士的指导，并感谢洪恒艺同学与邓善元学弟的鼎力协助。
交互理念
触觉引导的交互设计
为了减少视觉引导在学习过程中的权重，先前很多研究也做了很多类似的机械装置。(COMP*PASS)[]提出了一种类似圆规的工具，来辅助用户用户准确地画出各种中心对称的形状。这个装置的输入形状有限，不足以满足丰富的笔画图形效果。(LineForm)[]中提出了一种蛇形机器人，通过自身形变成各种形状，如直尺，圆圈，三角形，让用户可以使用它来辅助写画。(DePend)[]通过桌面下方上下左右移动的磁铁，来引导桌面上方带磁性笔尖的画笔来辅助写画。以上这两种装置，没有考虑屏幕与装置之间的相互关系，并且在可携带性上需要重新考量。
因此，在这个项目中，提出了两种马达设计，DynaFrame与DynaBase。希望的是能够在一般的平板上，实现手把手的写画引导。不仅可以满足可携带，而且也会希望尽量减少马达对屏幕画面内容的遮挡。
DynaFrame 的交互设计
机构设计：DynaFrame，顾名思义，是一种动态(Dynamic)的机械手臂像框架(Frame)一样包裹在平板周围。这个机械手臂驱动器为型号为(Dynamixel AX18-A)[]的舵机，这种舵机力矩为18.3kg/cm，速度为0.103 sec/60，体积为32X50X40mm，连接件为3D打印材料，末端由透明的环形亚克力板组成。上半部分为两个舵机，组成机械手臂的肩关节与肘关节。而前臂部分有两个关节，使得手臂可以上下移动。
设计考量：首先在机构上，连接件设计为「工」字形，以减少遮挡。而末端也是使用透明的亚克力，也为了起到相同的作用。另外DynaFrame前臂有两个舵机，使其在垂直于平板方向增加了一个维度，这样就可以模拟提笔与下笔的动作。 而在使用上，用户在日常操作平板的时候，装置是环绕在平板周围，像一个保护框架。只有当需要物理和触觉引导的时候，通过IK(Inverse Kinematic)控制，将末端的环形笔尖卡座移动到相应的位置。
交互设计：DynaFrame的使用逻辑是，用户预先为装置记录路径，包括提笔落笔的位置，笔画的形状，行笔的速度。在记录完路径后，则打开相对应的应用，为新手用户播放预设路径，引导其使用新的应用。首先DynaFrame将末端的环形笔尖卡座移动到开始位置等待用户，当用户落笔后，卡座引导笔尖在路径上移动，到达结束点，完成一个笔画的引导，之后不断重复以上的步骤。对于那些可以检测悬浮画笔的的平板电脑-(Sumsung Galaxy Tag)[http://www.samsung.com]，DynaFame则可以引导画笔到指定的悬浮位置，并且可以在半空中移动。通过这样的触觉引导，将有助于用户练习的同时学习，更好地学会如何使用新的应用与新的画笔。
讨论：DynaFrame，这种环绕在平板周围的机械手臂，外露的机械手臂，能够更高地告知用户使用正确的动作运笔。有力的触觉的引导，让用户更了解运笔过程中的速度。然而外露的机械手臂依然会遮挡住屏幕画面的内容，且偶尔会与用户的手互相干扰。因此将手臂放到屏幕下方，会成为一个很好的设计选择。
DynaBase 的交互设计
机构设计：上述的DynaFrame依然有遮挡的缺点，因此DynaBase则是尝试去解决这样的一个缺点。DynaBase的组成与DynaFrame类似，也是由舵机Dynamixel AX18-A组成。主体部分的机械手臂设计与DynaFrame相同，DynaBase前臂只有一个马达，使得末端可以在垂直与平板方向旋转。与DynaFrame最大的区别是DynaBase是将机械手臂放在平板的下方，为了控制上方的画笔，我们通过移动机械手臂末端的磁铁来移动屏幕上方的磁铁。我们将屏幕下方的磁铁形式叫做基座，基座为一对磁铁，一个正极向上，一个负极向上；我们将屏幕上方磁铁设计成为卡座，卡座的设计分为两种，点形卡座（仅仅一个磁铁），尺形卡座（一对磁铁），这样下方的基座就可以通过磁性来控制上方卡座的移动或旋转，以此来控制与引导画笔。
交互设计：相对于DynaFrame，DynaBase呈现在用户前的只有上方的磁性卡座，而且DynaBase的引导方式则更为自由与多样。一开始DynaBase也需要记录所要引导的路径。在引导用户的方式上，DynaBase分为全介入（hard constraint）与半介入（soft constraint）的两种方式。全介入是类似DynaFrame那样，将画笔放在卡座中间，限制住画笔所有的自由度，让画笔必须完全跟着卡座移动。而半介入的引导则是限制住画笔的某一个自由度，使得用户能在一定程度上保持自己的自由度。这里举两个例子来说明：
- 点形卡座：在点形卡座的半介入引导的时候，DynaBase只会记录每个笔画的起始点与终止点，首先点形卡座移动到笔画起始点旁，当画笔放在起始点上的时候，卡座移动到终止点，用户自己画到终止点，并被卡座阻止，防止其画出笔画终止点，以此反复。
- 尺形卡座：而尺形卡座，顾名思义，则是模拟尺子的引导形式。这个可以用在用户对齐的时候使用，当用户画多个笔画，需要在在x方向或者y方向上对齐。比如当用户画波浪线的时候，需要波浪线下方对齐，这时候就可以记录一条直线，然后用户可以跟随这卡座画波浪线，可以自己控制波浪线的频率和振幅，但是波浪线下方都是完全对齐的。
讨论：虽然DynaBase缺少z方向上的纬度，当时更少的遮挡，让用户可以更好地关注画面上的内容，而且这样也不容易引起用户与机械手臂的互相干扰。z方向上的旋转，让其有独特的半介入引导方式。
技术细节
Dynamixel AX18-A的使用
IK(Inverse Kinematic)
在这个项目中，使用了IK来控制机械手臂的移动，但与传统的二段式机械手臂不同，为了保证机械手臂肘关节能够向内弯折90度，而不会前臂卡到上臂，这里机械手臂的肘关节向外偏移了大约3cm的距离。
相关的IK的源代码发布在(这里)[]，下载后可以根据具体情况修改主要的这些参数：
- 上臂长度
- 偏移距离
- 前臂长度
Processng与Arduino
Processing与Arduino的沟通主要以 然而一般的他们的字节传送只有0-255byte，这边我们的传输需要是是0-1023byte，这时候的传输需要一些技巧，否则很容易传输错误。我们提出的解法是这样的，
然而由于要控制Dynamixel AX18-A，需要两个Serail Port，因为这里需要使用Arduino Mega型号，然而在Processing与Arduino Mega这里有一个小bug就是
结论
因此，在这个项目中，希望提出一种能够在平板上实现触觉的引导形式，因此提出了两种马达设计，DynaFrame与DynaBase，以此实现手把手的写画引导。不仅可以满足可携带，而且也会希望尽量减少马达对屏幕画面内容的遮挡。以此实现了全介入式（hard constraint）与半介入式（soft constraint）的交互设计。