法向力 Fn
决定笔尖接触与数字笔压。纸笔阶段还会影响墨色和摩擦。
ENGINEERING / 02
先控制一支笔，
再谈一只手。
第一代不从复杂手指外骨骼起步，而从可测量的二维笔尖轨迹入手：低惯量、可回驱、有限力、随时可退出。
已完成研发中规划中医学合作研究
01 / MECHANICS
写字不只是“摩擦”，
而是一个人—笔—表面的闭环。
摩擦决定笔尖与表面的切向阻力，但字迹还受手指握力、笔尖法向力、腕臂关节运动、视觉反馈和笔画运动计划共同影响。
切向阻力 Ft ≈ μFn
简化模型可用于理解阻尼，但真实笔尖包含速度、材质与方向效应。
引导力 Fg = −K·e − B·ė
虚拟弹簧和阻尼把偏离轨迹的笔尖拉回；K、B 必须由台架和人因研究确定。
关节力矩 τ = JᵀF
用机械臂雅可比矩阵把笔尖目标力换算为电机力矩，并限制到安全包络。
以上是设计模型，不是已经测得的本项目参数；人体安全不能只依赖公式，需要机械、电气、软件和操作流程的多层防护。
02 / DESK V1
第一代：二维触觉机械臂 + 数位板。
最小目标是证明“轨迹可引导、辅助可渐退、错误可记录、异常可停止”。
硬笔楷书笔顺、中心线、速度模板；英文先作为较低复杂度任务。
根据位置误差、速度和训练阶段计算辅助方向与强度。
双连杆或平行四边形机构，基座电机、低惯量连杆、可回驱传动。
编码器、数位板位置/压力、可选电机电流与六维力传感研究。
03 / MECHANICAL BUILD
建议采用低惯量、可回驱的平面机构。
不建议首代使用液压手指装置：体积、泄漏、夹伤和故障能量都不适合低龄学生桌面场景。
RECOMMENDED MVP
2 + 0.5 自由度
- X/Y 主动：两轴在平面内提供轨迹引导。
- Z 被动：弹性笔架允许自然抬笔并限制下压力。
- 电机置于基座：降低末端惯量，减轻失控风险。
- 可脱离笔夹：异常时笔与机构快速分离。
执行器
优先研究低减速比无刷电机或绳传动；高减速比齿轮虽易定位，但回驱性差、摩擦大。
传感
关节编码器是基础；数位板提供位置和笔压的独立测量，形成交叉校验。
末端
首代使用通用数字笔可调夹具；纸笔代再开发重量、握径与压力采集匹配的专用笔。
人体工学
桌高、前臂支撑、左右手镜像、坐姿摄像仅在隐私同意下研究；不固定躯干。
04 / CONTROL
训练算法的核心：
辅助随能力退出。
被动示教
机构沿标准笔画带动手部，用于理解方向与顺序；时间短、可随时退出。
入门隧道约束
学生主动运动，只有越过虚拟边界才出现纠正力，减少对持续牵引的依赖。
核心训练逐级减力
根据连续几次的偏差和流畅度降低刚度，不因单次高分直接跳级。
迁移准备无辅助复测
隐藏或关闭力反馈后书写新字，判断是否真正学习，而非被机械平滑。
效果证据工程目标（尚未实测）：控制回路需达到稳定触觉反馈所需的高更新率；最终频率、延迟和力上限由硬件、稳定性分析及安全评审共同确定，不在当前阶段写成既定性能。
05 / WEAR V2
第二代：从“牵引笔”到“辅助手”。
穿戴路线同步研究，但只有桌面平台建立有效训练模型后，才把控制目标分解到腕、掌和手指。
腕部
轻量支撑与有限角度引导，避免把桌面臂的二维轨迹直接强加给关节。
握笔
可调握径、柔性压力分布和快速释放；辅助握持不等于增加挤压力。
手指
优先柔性腱绳/Bowden 线或软体执行器研究，不用液压高压直接驱动儿童手指。
意图
后期可研究表面肌电作为主动参与信号；肌电“读取”与电刺激“输出”必须严格区分。
06 / VERIFY
机械设计的完成标准，
不是“能动”，而是“失效也安全”。
轨迹台架
重复圆、线、楷书笔画；报告 RMS/最大误差、速度、延迟与温升。
异常注入
传感器断线、编码器跳变、软件卡顿、断电、笔夹脱开与急停。
成人可用性
伦理批准后测试舒适、可理解性、主动退出与左右手适配。
迁移效果
训练字与未训练字、即时与延迟复测、有辅助与无辅助对照。
硬件安全层机械限位 · 低能量设计 · 夹点防护 · 可脱离笔夹 · 独立急停软件安全层速度/位置/力矩包络 · 看门狗 · 传感器合理性检查 · 日志与故障码
07 / KNOWLEDGE
需要的不是一个“万能工程师”，
而是一支跨学科小组。
机械工程
机构学、材料、CAD、可回驱传动、人机接触与制造公差。
电气与嵌入式
电机驱动、编码器、实时控制、急停、电源和电磁兼容。
软件与算法
轨迹生成、控制器、字形评价、数据记录、语音与隐私。
书写教育
硬笔楷书规范、儿童动作发展、教学节奏和学习迁移。
人因与康复
人体工学、作业治疗、可用性、风险沟通和受试者保护。