基于語音識別技術的老年人生活輔助設備＊

冉冬東，李緯

基于語音識別技術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；結合單片機語音識別模塊和語音合成模塊實現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，從而規劃設備的行進路線，實現自動避障。

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。

目前，國內外兼具安全、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相結合，方便老年人控制設備，給老年人提供了極大的方便。

1 系統總體設計

本文設計的產品是運用創新設計理念，綜合應用產品組合創新技術和方法、語音識別技術、傳感器技術、單片機技術、自動控制技術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。

系統總體包含機械結構和控制系統兩大部分。它們之間的交互關系如圖1所示。

在研究過程中主要采用的研究方法為理論聯系實際。采用產品組合創新方法對機械結構部分進行創新研究，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的電路原理圖，對控制系統進行建模和仿真，保證控制系統的可行性和可實現性，利用語音識別技術，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 系統總體結構圖

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

2 機械結構設計

2.1 結構總體設計

機械結構部分設計了行走機構、升降機構、轉動坐墊機構、轉動扶手機構和拉桿靠背機構。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。結構整體如圖2所示。

2.2 結構分析

圖2中，Ⅰ為行走機構，使用輪式行走機構，采用后驅方式，直流電機通過聯軸器連接后輪，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轉向，帶制動機構，通過腳踩方式實現定位；Ⅱ為升降機構，使用平行四邊形結構，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設備的升降；Ⅲ為轉動坐墊機構，由伺服電機帶動齒輪，再由齒輪嚙合帶動連接軸轉動，坐墊固定安裝在連接軸上，因而坐墊也被帶著轉動；Ⅳ為轉動扶手機構，可手動旋轉，可通過自動彈簧插銷對其定位；Ⅴ為拉桿靠背機構，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、升降機構和轉動坐墊機構可通過語音識別模塊與STM32單片機的通信進行自動控制，轉動扶手機構和拉桿靠背機構由用戶手動進行操作。

圖2 結構整體示意圖

3 控制系統設計

3.1 總體設計

控制系統部分主要包括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，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，依據對話內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，進行信息的發送與接收，實現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動電路，通過控制STM32單片機的I/O口的高低電平實現對直流電機、步進電動推桿和步進電機的控制，從而實現了弱電控制強電。超聲波傳感器的發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超聲波傳感器進行測距，并檢測接收引腳的電平，實現距離的檢測。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鍵詞庫中進行匹配，將識別結果傳遞給LD3320模塊的CPU，將聲音轉化為文本，實現語音的輸入，LD3320模塊的數據發送引腳TXD和數據接收引腳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，將文本轉化為語音，并且外接喇叭，實現語音的輸出。設備上各個模塊的信息都被主控芯片所監控，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，實現語音提醒功能。

3.2.5 電機驅動模塊

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個電機驅動電路。直流電機驅動模塊由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。步進電機驅動模塊由24 V電源供電，采用共陽極接法。步進電機驅動電路一和二用于驅動升降機構中的步進電動推桿的步進電機，將電機的旋轉運動轉變成推桿的直線往復運動，2個驅動電路中的EN-、PUL-、DIR-輸入信號連接到STM32單片機的PC9、PC8、PC7、PC6、PD15、PD14上；步進電機驅動電路三和四用于驅動轉動坐墊機構中的步進電機，2個驅動電路中的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境之后，才能通過控制下底盤的直流電機，實現自動避障功能。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，由單片機發出的高電平信號觸發測距，通過超聲波傳感器方波信號的發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 結語

本文內容具有研究意義，結合語音識別技術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，與老年人相關的設備都在朝著智能化方向發展。因此，本文設計的基于語音識別技術的老年人生活輔助設備市場前景廣闊。

［1］郭杰，劉大為，王淦，等.基于SolidWorks的輔助站立椅設計開發［J］.機械研究與應用，2020，33（2）：123-124，127.

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TP23

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.08.031

2095－6835（2021）08－0084－03

國家級大學生創新創業訓練計劃（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〕