嵌入式假肢智能控制系統中語音識別技術

文/張燁 劉恒

目前市面上的大多數假肢主要是通過腦電信號與肌電信號來進行控制的，不過，由于腦電信號的信息率低，而肌電信號又需要進行復雜的信號處理，容易造成殘疾人的肌肉出現酸痛感，這也使目前市面中的假肢都存在一定的不足，這給殘疾人的生活帶來許多不便。為了彌補這些不足，本文將語音識別技術應用于嵌入式假肢中，通過語音識別技術來對殘疾人的語音信號進行識別，以此實現殘疾人對嵌入式假肢的控制目的。為此，以下便對嵌入式假肢智能控制系統中語音識別技術進行深入的研究。

1 嵌入式假肢智能控制系統中語音識別技術的研究

1.1 技術結構分析

在嵌入式假肢智能控制系統中，語音識別技術在硬件結構上分為語音識別芯片、擴展電路以及功能模塊三個組成部分。由語音識別芯片對殘疾人所發出的語音信號進行識別，并通過內部語音識別程序來對語音信號進行處理，然后將處理結果發送給功能模塊進行執行。

1.2 語音識別芯片

在嵌入式假肢智能控制系統中，語音識別芯片的型號為SPCE061A，該芯片高度集成了MCU、RAM、A/D、D/A與ROM，該芯片具有內積運算功能以及16*16位的乘法運算功能。SPCE061A能夠對各種復雜的數字信號進行處理，其處理性能強大，價格低廉，而且能夠進行中斷處理。語音識別芯片可對至少10個中斷源及中斷向量進行有效支持，這使其在實時語音識別及處理方面有著非常明顯的應用優勢，同時其還具有自動增益控制功能，這能夠使殘疾人通過麥克風來進行語音控制，從而大大提高了殘疾人對嵌入式假肢的控制便利性。

1.3 擴展電路

在擴展電路中，分布有語音采集電路、電源模塊、程序下載模塊、音頻輸出模塊、擴展存儲模塊以及通信模塊，擴展電路會通過語音采集電路來采集語音信號，然后通過模數轉換存儲至控制芯片中。而音頻輸出信號會將需要輸出的控制指令進行相應轉換，然后進行語音輸出。電源模塊則能夠為系統的各個功能模塊提供工作電壓。擴展存儲模塊能夠對語音信號進行外部Flash存儲。而程序下載模塊則是在控制芯片中寫入事先編好的程序，通信模塊用于實現PC端和控制芯片之間的通信。

1.4 功能模塊

在嵌入式假肢智能控制系統中，其功能模塊是通過電機來進行驅動的，在其功能模塊中，主要包括電機主體、編碼器、位置傳感器、驅動器以及壓力傳感器。其中，驅動器負責對語音識別芯片所發出的信號進行接收，同時還能接收編碼器的反饋信號，并可對電機的轉速、轉向及啟停進行控制。而壓力傳感器則可對假肢所受到的外界壓力情況進行檢測，并利用轉換電路將信號向語音識別芯片，由芯片來處理反饋信息，并下達控制指令來對電機進行相應的控制。

2 嵌入式假肢智能控制系統中語音識別技術的實現

2.1 語音識別程序

在嵌入式假肢智能控制系統中，語音識別技術的功能實現是通過語音識別程序來完成的。語音識別程序共包括四個組成部分，分別是API函數、語音源文件、初始化程序以及主控程序。在語音識別時，會先進行初始化程序，然后在主控程序中調入API函數與語音源文件，然后由主控程序發出控制處理信號。在語音錄制過程中，首先要進行語音采樣，該系統在定時中斷控制下通過8kHz來對采樣的語音信號進行A/D轉換，然后將轉換后的語音信號按照某種算法來進行壓縮編碼，最后將編碼后的語音信號存儲到存儲介質當中。該系統在語音識別程序設計中，應用了臺灣凌陽公司所錄制的SCAM-DVR函數庫，并對相應的API函數進行了調用。

2.2 語音識別流程

嵌入式假肢智能控制系統中語音識別功能的實現，使其能夠聽懂殘疾人的語音命令，并根據語音命令的不同做出對應的響應。該系統可根據不同對象在說話時的依賴程度，將其劃分成兩種，一種是能夠對特定的殘疾人的語音命令進行識別，其只能對特定的對象語音進行辨認，這需要殘疾人進行相應的訓練后方可使用。還有一種是能夠對所有對象的語音命令進行識別，不需要進行特定的訓練。此外，根據不同殘疾人的說話方式差異，語音識別技術既可進行孤立詞識別，也可進行連續語音識別，在孤立詞詞別中，只能對單個詞匯進行單次識別，而在連續語音識別中，則可對正常說話中的語句進行語別。此外，為了使嵌入式假肢智能控制系統的語音識別準確率更高，還應用了特定人識別方式。該系統的語音識別功能實現流程如下：在訓練過程中，嵌入式假肢智能控制系統啟動后會對RAM進行初始化，并由使用者進行訓練，系統會自動獲取訓練結果，并提示訓練成功，系統會自動建立使用者的語音特征模型。在識別過程中，嵌入式假肢智能控制系統會在啟動后對識別器進行初始化，并獲得識別結果，然后識別出語音命令，同時確認語音命令是否能夠被執行，當不能執行時，會重新獲取識別結果，如果能夠執行，則會自動執行相應操作，從而完成整個識別過程。

3 結語

總而言之，本文針對殘疾人人群在日常生活中的種種不便，同時考慮到現有假肢在動作控制上存在的不足，提出一種以語音識別技術為核心的嵌入式假肢智能控制系統，該系統能夠對殘疾人所發出的語音命令進行自動識別，然后根據語音識別結果來做出相應的動作，從而實現了殘疾人通過語音來控制假肢的目的，大大提高了殘疾人的生活質量，并為殘疾人對假肢的控制帶來了很大便利，使殘疾人能夠具有更強的自信心重返社會。