冉冬東，李緯

基于語音識別技術(shù)的老年人生活輔助設備＊

冉冬東，李緯

（武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070）

隨著中國人口老齡化問題日益嚴重，老年人口數(shù)目日益增多，并且老年人多有腿腳不便的情況，導致一些基本生活活動，如如廁和行走等動作完成比較困難。為解決老年人的如廁和行走等基本生活活動的問題，設計出一款基于語音識別技術(shù)的老年人生活輔助設備，給老年人提供了極大的方便。主控芯片選用STM32F103VET6；結(jié)合單片機語音識別模塊和語音合成模塊實現(xiàn)設備的語音控制和語音提醒；選用超聲波傳感器對周圍障礙物進行測距，從而規(guī)劃設備的行進路線，實現(xiàn)自動避障。

生活輔助；語音控制；語音提醒；超聲波測距

隨著中國人口老齡化問題日益嚴重，老年人口數(shù)目日益增多。隨著年齡的增長，老年人多有腿腳不便的情況，有時難以完成一些如彎腰、下蹲等簡單的動作，這給老年人的基本生活帶來了極大挑戰(zhàn)。

目前，國內(nèi)外兼具安全、實用、功能性的老年人生活輔助設備非常少，不能為老年人提供人性化的服務，不能有效滿足老年人多樣化、多層次的養(yǎng)老服務需求。其中，老年人如廁和行走是兩大難題。雖然目前國內(nèi)外已有幫助老年人如廁和行走的輔助設計，但功能單一，未與人工智能相結(jié)合，老年人獨自操作設備非常困難。

為了幫助老年人解決行走和如廁等動作完成比較困難的問題，本文設計了一款基于語音識別技術(shù)的老年人生活輔助設備，可在輔助如廁和行走方面幫助老年人。生活輔助設備與語音識別技術(shù)相結(jié)合，方便老年人控制設備，給老年人提供了極大的方便。

1 系統(tǒng)總體設計

本文設計的產(chǎn)品是運用創(chuàng)新設計理念，綜合應用產(chǎn)品組合創(chuàng)新技術(shù)和方法、語音識別技術(shù)、傳感器技術(shù)、單片機技術(shù)、自動控制技術(shù)設計的一個智能助老設備，對設備進行智能管理，通過單片機語音模塊對設備的其他模塊進行控制，從而控制設備的運行，為老年人提供方便的服務。

系統(tǒng)總體包含機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩大部分。它們之間的交互關(guān)系如圖1所示。

在研究過程中主要采用的研究方法為理論聯(lián)系實際。采用產(chǎn)品組合創(chuàng)新方法對機械結(jié)構(gòu)部分進行創(chuàng)新研究，使用三維軟件進行建模和運動仿真，確定設計的合理性和可行性。

使用電路設計軟件繪制控制系統(tǒng)的電路原理圖，對控制系統(tǒng)進行建模和仿真，保證控制系統(tǒng)的可行性和可實現(xiàn)性，利用語音識別技術(shù)，用戶通過單片機連接的語音模塊可以和該設備進行對話。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

在嵌入式控制軟件開發(fā)的基礎上，探索軟件工程的研究方法，對軟件進行需求分析、系統(tǒng)設計、系統(tǒng)開發(fā)和測試，以確保軟件的有效性。

2 機械結(jié)構(gòu)設計

2.1 結(jié)構(gòu)總體設計

機械結(jié)構(gòu)部分設計了行走機構(gòu)、升降機構(gòu)、轉(zhuǎn)動坐墊機構(gòu)、轉(zhuǎn)動扶手機構(gòu)和拉桿靠背機構(gòu)。使用三維CAD軟件Solid works建立了老年人生活輔助設備三維模型，完成了工程圖設計。結(jié)構(gòu)整體如圖2所示。

2.2 結(jié)構(gòu)分析

圖2中，Ⅰ為行走機構(gòu)，使用輪式行走機構(gòu)，采用后驅(qū)方式，直流電機通過聯(lián)軸器連接后輪，為設備的行走提供動力，并且通過后輪兩輪之間的差速實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，帶制動機構(gòu)，通過腳踩方式實現(xiàn)定位；Ⅱ為升降機構(gòu)，使用平行四邊形結(jié)構(gòu)，上端與下端通過雙頭螺栓分別連接在步進電動推桿上，通過步進電動推桿的推動與收縮實現(xiàn)設備的升降；Ⅲ為轉(zhuǎn)動坐墊機構(gòu)，由伺服電機帶動齒輪，再由齒輪嚙合帶動連接軸轉(zhuǎn)動，坐墊固定安裝在連接軸上，因而坐墊也被帶著轉(zhuǎn)動；Ⅳ為轉(zhuǎn)動扶手機構(gòu)，可手動旋轉(zhuǎn)，可通過自動彈簧插銷對其定位；Ⅴ為拉桿靠背機構(gòu)，由伸縮拉桿和靠背組成，靠背安裝在伸縮拉桿的最高級，可手動拉伸與收縮。其中，行走機構(gòu)、升降機構(gòu)和轉(zhuǎn)動坐墊機構(gòu)可通過語音識別模塊與STM32單片機的通信進行自動控制，轉(zhuǎn)動扶手機構(gòu)和拉桿靠背機構(gòu)由用戶手動進行操作。

圖2 結(jié)構(gòu)整體示意圖

3 控制系統(tǒng)設計

3.1 總體設計

控制系統(tǒng)部分主要包括STM32單片機、語音識別模塊、語音合成模塊、超聲波傳感器、直流電機、步進電動推桿、步進電機等組成部分。利用語音識別技術(shù)，借助軟件編程的方法，用戶通過單片機連接的語音模塊可以和該設備進行對話，依據(jù)對話內(nèi)容對設備進行自動控制，為老年人提供了極大的方便。使用電路設計軟件Altium designer繪制控制系統(tǒng)電路原理圖。

3.2 模塊設計

3.2.1 電源模塊

選用24 V電源作為設備的總電源為整個設備進行供電，通過連接電機驅(qū)動模塊為直流電機、步進電動推桿和步進電機提供24 V電壓，通過LM2596降壓模塊將24 V電壓降為5 V提供給語音識別模塊、語音合成模塊和超聲波傳感器，再由ASM1117降壓模塊將5 V降為3.3 V提供給STM32單片機。

3.2.2 主控芯片

控制系統(tǒng)的主控芯片是整個設備最核心的部分，主控芯片選型STM32F103VET6。其引腳有100個，I/O口多達80個，且具有眾多定時器、串口和ADC通道等資源。STM32單片機通過串口與語音識別模塊和語音合成模塊進行通信，進行信息的發(fā)送與接收，實現(xiàn)用戶與設備之間的對話，進行語音識別和語音提醒。并且STM32單片機引腳連接電機驅(qū)動電路，通過控制STM32單片機的I/O口的高低電平實現(xiàn)對直流電機、步進電動推桿和步進電機的控制，從而實現(xiàn)了弱電控制強電。超聲波傳感器的發(fā)送與接收引腳連接在STM32單片機的引腳上，通過STM32引腳輸出高電平觸發(fā)超聲波傳感器進行測距，并檢測接收引腳的電平，實現(xiàn)距離的檢測。主控芯片電路原理如圖3所示。

圖3 主控芯片電路原理圖

3.2.3 語音識別模塊

選用LD3320作為設備控制系統(tǒng)的語音識別模塊。LD3320模塊通過串口與STM32單片機連接，當模塊識別到用戶的語音后，進行頻譜分析，再提取特征，語音識別器在提前存入的拼音字符串關(guān)鍵詞庫中進行匹配，將識別結(jié)果傳遞給LD3320模塊的CPU，將聲音轉(zhuǎn)化為文本，實現(xiàn)語音的輸入，LD3320模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送引腳TXD和數(shù)據(jù)接收引腳RXD分別連接在STM32單片機的PA3和PA2引腳，通過串口將識別結(jié)果傳遞給STM32單片機，再由STM32單片機進行控制。語音識別流程如圖4所示。

圖4 語音識別流程圖

工作模式設置為口令模式，用戶需通過設定的一級口令，喚醒設備之后才能進行后續(xù)操作，減少垃圾詞匯對設備工作情況的影響。

3.2.4 語音合成模塊

選用SYN6288作為設備控制系統(tǒng)的語音合成模塊。SYN6288模塊的TXD引腳和RXD引腳分別連接在STM32單片機的PB11和PB10引腳，由STM32單片機傳遞信息進行控制，將文本轉(zhuǎn)化為語音，并且外接喇叭，實現(xiàn)語音的輸出。設備上各個模塊的信息都被主控芯片所監(jiān)控，當需要提醒用戶時，STM32單片機可控制語音合成模塊輸出相應的聲音，實現(xiàn)語音提醒功能。

3.2.5 電機驅(qū)動模塊

設備運行需要下底盤下的2個直流電機、下底盤上的2個步進電動推桿和上底盤下的2個步進電機提供動力，因此需要6個電機驅(qū)動電路。直流電機驅(qū)動模塊由24 V電源供電，且ENA、ENB、IN1、IN2、IN3、IN4六路輸入信號連接到STM32單片機的PA13、PA12、PA11、PA10、PA9、PA8上，控制2個通道的直流電機的運行。步進電機驅(qū)動模塊由24 V電源供電，采用共陽極接法。步進電機驅(qū)動電路一和二用于驅(qū)動升降機構(gòu)中的步進電動推桿的步進電機，將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變成推桿的直線往復運動，2個驅(qū)動電路中的EN-、PUL-、DIR-輸入信號連接到STM32單片機的PC9、PC8、PC7、PC6、PD15、PD14上；步進電機驅(qū)動電路三和四用于驅(qū)動轉(zhuǎn)動坐墊機構(gòu)中的步進電機，2個驅(qū)動電路中的EN-、PUL-、DIR-輸入信號連接到STM32單片機的PD13、PD12、PD11、PD10、PD9、PD8。

3.2.6 超聲波傳感器模塊

設備需要借助超聲波傳感器探測外界環(huán)境之后，才能通過控制下底盤的直流電機，實現(xiàn)自動避障功能。模塊選型為HC-SR04，三個傳感器模塊的Trig、Echo引腳分別接到STM32單片機的PD0、PC12、PC11、PC10、PA15、PA14引腳，由單片機發(fā)出的高電平信號觸發(fā)測距，通過超聲波傳感器方波信號的發(fā)送和接收的時間差即可計算出前方障礙物的距離。計算公式為：

測試距離=[高電平時間×聲速（340 m/s）]/2

超聲波傳感器在設備上的放置位置：左、前、右各放置一個超聲波傳感器，且左右傳感器呈一定角度，這樣擺放使得傳感器的測距效果更好，提高了設備自動避障的效果。

4 結(jié)語

本文內(nèi)容具有研究意義，結(jié)合語音識別技術(shù)研究老年人生活輔助設備，方便老年人使用，并且可以幫助解決老年人如廁和行走的生活難題，提高設備的可靠性和使用價值。當下人口老齡化嚴重，且在信息化時代，與老年人相關(guān)的設備都在朝著智能化方向發(fā)展。因此，本文設計的基于語音識別技術(shù)的老年人生活輔助設備市場前景廣闊。

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TP23

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.08.031

2095－6835（2021）08－0084－03

國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃（編號：S202010497094）

冉冬東（1999—），男，大學本科在讀，研究方向為機械工程。

〔編輯：張思楠〕