话音交互式学习机

儿童通过兼有视觉的听觉重复来学习字母、数字和各种物体的名 称。通常，家长或教师指着由所读字描述的物体，朗读一本书。这样， 儿童能够在视觉上把该物体同它的名称联系起来。这种教学方法一般是 被动的，即在儿童与题材之间可能没有什么对话。使用多种感觉概念的 交互式教学方法比单纯记忆法更有效。

对残疾成年人，用语音合成器作通信设备。1979年1月，在医学与 生物工程与计算Medical&Biological Engineering and Computing刊物 一篇题为“无噪音患者的语言通信辅助器”(Verbal Communication Aid for Non-Vocal Patients)的文章中，描述了一个这样的实例。此文 描述一种快速通信的语音合成器，适用于有语言障碍的患者。每个设备 都包括一个通过商用电话用导线连网于中央语言生成系统的键盘。使用 中央系统使许多单个的交换台可共用一个单独控制的装置，从而降低各 个设备的总成本。这样，在一个单独地理区域的一些交换台就能够利用 同一个控制装置。这设备还能够用作教学辅助器或翻译辅助器。在这类 应用中，键涉及字母或数字，在压下时产生语音响应。此设备之优点在 于儿童可以在没有严密监督的情况下，单独以交互式方式使用该设 备，而家长或教师那时可以照应其他事务。然而，各键基本上相同，不 同只是各键上所印出的字母。在Sam Davis所写的一篇题为“μC基本键 盘语音合成器给中风患者以语音(μC-Based key-to-speech synthesizer Give stroke Victims a Voice)”的文章(EDN设计新闻，1978年2月 20日)中，透露一种用于产生基本语声的系统。每个所说的字都被分成 一些模拟一个字的音素。该系统使用一些语音命令字态控制一个合成 器。而其他设备则使用各种用途的语音合成设备。在属于Henderson的 美国专利NOS.4,357,489(转让给得克萨斯仪表有限责任公司的) 和属于Kroon的美国专利No.4,646,350中，都透露一种用于合成 语音的集成电路。在属于Batra的美国专利No.4,646,350中，把这 样一种集成电路用于一种童鞋，当穿或脱鞋时提供音响信息。

然而，上述类型的先有技术设备不能提供吸引儿童的有意义的直观 标记，而这种标记在并入语音合成设备时可促进学习。

在属于Michael C.Wood的美国专利5,188,533中，技术上有 了重大提高，以便克服某些上述的不足。本发明对Wood′533专利中所作 的改进，进一步作了发展和提高。在此描述的设备通过下述方式提供许 多优于先有技术设备的优点：使之与儿童对话，从而促进说话、阅读与 记忆的学习过程。

一般说来，本发明涉及一种交互式学习机，它具有一个电子电路系 统，用于根据与设备的按键接触来生成可听声。更准确地说，本发明涉 及这样一种交互式学习机：它具有一个，或最好是多个触感的和可拆卸 地固定的、三维标记定位单元(indicia bearing units)，每个单元都代 表一个字母或一个数字，它在接触时激励语音合成电路系统，以便用音 响方式产生涉及标记定位单元的名称或语声。这样，使用者就能够在由 标记定位单元所代表的字母或数字的符号与涉及这些符号的语声和名称 之间，建立起一种联系。此外，这设备可供学步的小孩或学龄前儿童娱 乐之用。

本发明包括一个标记定位外壳，它有一个电气耦合于放大器或扬声 器的语言处理器(或语音合成电路系统)。标记定位外壳内有一个或多 个三维的标记定位单元，每个单元都在操作上接合于一个位于标记定位 单元下面的开关，最好是一个触感表面开关。触感表面电气耦合于语音 合成电路系统，以便根据使用者的接触来激励合成处理器。接触一个标 记定位单元，就产生一个代表指定声音或音素的可听合成话音。音素， 讲话最小单位之一，代表与标记定位单元有关的名称式语音声。例如， 字母“a”含有一个赋予字母“a”的语音。

本发明还提供一种“开书”格式，或更普遍地说，一种标记定位单 元，其中装有在书的左手边固定的多个标记定位单元，和在书的右手边 的接收一个卡或模板的卡或模板接收部分。左手边的标记定位单元是可 拆卸地安装的，并且可以每个单元都叠置一个触感开关；而在右手边， 则有一个卡，它是通过卡接收部分安装的。

在一个实施例中，即所谓“有声字典”或“有声字”实施例中，有 多个卡置于书的卡接收部分上，每个卡都有一个字和涉及该字的图。书 中电路系统能够识别何种特殊卡已置于书中，并且朗诵其中描述的字。 在卡接收部分的底部，有多个键或开关(最好不多于5个)，它们置于 全部拼写出卡中所述字的字母的切断外形的下面。然后儿童把相应于切 断外形的字母标记定位单元从书的左手边移走，并且把它置于卡中的相 应切断部位，于是激励扬声器，以便朗诵涉及如此安放的标记定位单元 的音素，在这种情况下，音素涉及它所属的字。这样，儿童在学习字时 接收多重反馈：从与字有关的卡上的图接收一次：当卡置于书中时，从 朗读字时接受一次；和当标记定位单元与切断外形匹配时，从压下诸键 时接收一次。

在本发明的另一实施例中，即类似于上述实施例的被叫作“翻译器” 的实施例中，书可用作一个简单的翻译器，它可把一些字从英文翻译成 外文和从外文翻译成英文。卡既显示英文字又显示它相应的外文等效 字。当卡置于书的卡接收部分上时，英文字及其外文等效字都被朗诵， 并且当5个键中涉及外文字和/或英文字的音素的一个键被压下时，书上 的一个开关可供选择任何数量的外文之用。

在本发明的另一个实施例中，即所谓“有声计算器”实施例中，书 采取计算器的格式，于是在书左手边的字母被不可拆卸的数字所取代， 并且由书右手边的卡接收部分接收的卡描述基本数学运算，例如两个整 数相加。在把卡置入书中时，语音合成器芯片可以朗诵卡上描述的基本 公式；并且在压下与公式有关的恰当键时，芯片可朗诵与键有关的语音。

在本发明的又一个实施例中，即所谓“动物园”实施例中，描述在 一个或多个卡上的多个动物剪裁图，因此当来自书的左手边的标记定位 单元被置于其匹配剪裁图中时，书会发出与动物有关的特征动物声音， 并且朗诵动物的名称。

本发明的又一个方面是使用这样一种芯片：它采用话音压缩法把人 的声音加到一种具有最小存储量的廉价语音合成芯片上。

图1是一个本发明实施例的透视图，该“字典”实施例说明处于打 开形态的书，书外有一卡。

图2A-2C说明书的卡接收部分的另一实施例。

图3A是本发明另一实施例的视图，该“有声计算器”实施例说明 处于打开形态的书。

图3B说明与图3A实施例有关的卡。

图4A是本发明另一实施例的透视图，该“动物园”实施例说明处 于显示形态的书，在右手部分有一卡插入其中。

图4B说明一个适用于图4A实施例的卡。

图5和6描述本发明的语言处理器电路系统的一种实施方案。

现在转向图1，它是本发明一个实施例的示意图。图中示出一本有 声书10，它有一个右手部分12和一个左手部分14，还有一个连接两面 的活动折页16。两个手柄18在书合上时提供一种携带书的方式。该书 包括一个用于安放电源的在前侧的电池门，一个容易使用的电源开关， 和一个扬声器20。在右手部分12的底部装有多个按键或开关24(最好 不多于5个)。书可由耐用塑料材料制作，是明亮色，且带圆角以利安 全。在左手部分的切断标记定位单元座或凹座中，可拆卸地安装多个三 维标记定位单元26，例如字母“C”的凹座28已取出来，并用参考号 30表示。可以按照上文参考文献美国专利No.5,188,533所述的方 式，制成凹座。在本发明的所有实施例中，都可采用相同的安装标记定 位单元的方式。也可以用磁性方法安装标记定位单元。每个标记定位单 元的座在形状上都与标记定位单元所代表的特定符号的外形一致，使标 记定位单元固定。除了字母A至Z之外，书的左手侧还可安装些单音双 字母，例如“th”，“ch”，“ea”，“ph”等。如图所示，单音 双字母是在其间用一个连接部分固定的两个字母。一个卡应有一个相应 的切断凹座，以固定单音双字母。此外，一个字母“e”形状的由透明 塑料制作的标记定位单元，可以表示“不发声的e”。

每个标记定位单元都连接于一个下面的开关，或激发它。可按照上 文参考文献提到的美国专利No.5,188,533中所述的任何方式，激发 该开关。在本发明的所有实施例中都可使用这些开关。例如，标记定位 单元可以有一个触感表面，它使用射频装置去转换已接触的部分；标记 定位单元可以放在一个触感开关上面，或者开关可以是任何种类的、为 了变成被激发而利用接触于或接近于标记定位单元的开关。

在有声书情况下，可以使用多个卡，例如卡33，34和39。卡34 示出一个猫图，猫的切断字母置于图的下部。其他的卡可以表示字母表 的字母，例如卡33；或者表示颜色，例如卡39，它可以是彩色的，且 有一个接收标记定位单元的切断处。此外，可用标记定位单元表示多种 几何形状，例如星形，三角形，正方形或圆。的确，用卡或标记定位单 元所示的显示不限于附图所示的显示，而可包括任何类型的图形显示， 打印标记或数字显示，或任何上述的组合。

各卡，例如卡34，都可用处理器唯一地识别。在一个实施例中，各 卡都在其左上角有一个识别卡及其内容的唯一特征标记。该标记可以是 多个细孔36，它们是用书卡接收部分中配套插头接收的。细孔的有无能 够编码关于卡标识的信息。例如，在8插头和每插头使用1比特情况下， 可以用这种方式由书中语音处理器电路系统，来唯一地识别直至28＝256 个不同的卡。可以使用其他的识别卡的方法，例如使用磁性编码和阅读 器。

作为另一实例，如图2A-2C所示，用卡接收部分滑动地接收诸卡， 其识别标记可以是在卡的最右边有无8个切去部分或小孔。这样，示出 一个有交错边42和书的模板接收部分的卡40，它具有这种可替代用于 识别卡的插头的装置。多个球形键44都定位于卡接收装置48的右手部 分的边46附近，都是弹簧向上偏置的。卡是用这种键控边接收的，用类 似于读出穿孔卡片的方法进行读出。卡在其右边有直至8个穿孔或开口 52。穿孔数识别卡。因此，在8孔和每键一毕特情况下，可用书处理器 识别多达28＝256个卡。当卡被插入时，确定穿孔数。因此，通过定期 转换诸键和找出哪些键被压下，有声书处理器能够容易地识别卡。

对本发明“有声字典”实施例的操作，现在解释如下。把有声书接 通电源和打开。在其左手部分有多个可拆卸的标记定位单元26，上覆键； 在其右手部分有卡接收段12，扬声器20，和5个在底部的键24。一个 儿童取出一个卡34，其上有可以构成一个简单字的某种语音组合。为说 明起见，假设字是“猫”。在卡34上有猫的彩色图画，在其底部有用参 考号35示出的字母“c-a-t”的切断轮廓。这些切断轮廓35在卡接收部 分的底部覆盖在5个按键24中的3个上面。儿童把卡34放在书的左手 部分12上，其面朝上。在用8孔作卡识别工具的书的实施例中，如图1 所示，儿童对准卡34使卡极左上部的孔36接收插头38。在卡接收段的 极右边采用多个键的书的实施例中，如图2A所述，儿童对准卡，使卡40 的锯齿形右边43密接于提供的槽47中，如图2B所示。总之，当卡已被 适当插入时，处理器就识别卡，且朗诵与卡有关的名称；在此是朗诵“猫” 字。于是处理器会等待儿童从书的左部分取出标记定位单元，并且把它 放入卡上的适当切断处。儿童必须把标记字母“c”，“a”，“t”依 次地放入适当匹配切断处，否则书仍会无声，或作为选项发出错误信息 声。如果儿童把第一个标记字母“c”正确地放入为卡上字母“c”准备 的切断处，处理器就发出语音“c”声，因为“c”是“cat”中发音。 为了进一步说明这点，如果字是“coat”，则语音“c”的发音不同于 cat中“c”的发音。处理器会按照压缩线性预测编码(LPC)格式， 存储与每个存储字有关的全部语音，如此中所述；并且在语音与所存储 字之间的结合是由软件控制的。其次，标记字母“a”必须置于为字母 “a”准备的切断处，以便压下下面的开关，且发出字“cat”中“a” 的语音。同样，放入“t”会发出cat中“t”声。当已放入最后一个字 母时，处理器可再次朗诵整个字。此外，左手侧的标记单元26连接在操 作上耦合于处理器的下面开关或键，使处理器在键被压下时朗诵字母表 的字母。这样，儿童甚至在没有使用卡的情况下也可以学习字母表。

除了字母表字母之外，标记定位单元可以表示颜色，例如本色，并 且语言处理器电路可以用朗诵字母的类似方式朗诵颜色。一些音素，例 如“无声e”，某些短元音和硬辅音，可以有与它们相关的键。览于此 中透露的讲授，本专业的技术人员容易明了其他的修正和更改。

本发明另一实施例，“翻译器”实施例属于图1实施例的方案，它 包括存储许多与其英文等效字以一对一方式变换的外文字。这样，儿童 通过激发适当的开关，可以把字翻译成一些外文字，例如从英文到西班 牙文，从英文到法文等。可给适当的卡提供本实施例，使儿童从图画学 习外语字。

这个“翻译器”实施例的操作完全与上述“有声字典”实施例的操 作相同，但通过触发一个属于特定外文的开关，指示处理器每当压下一 个键时，就朗诵字的英文和/或外文等效字，以及英文和/外文语音。

现在把注意力转向图3A和3B，它们说明本发明的“有声计算器” 方案，其中表示典型数学计算器布置的多个按钮62被安排在左手边，而 在右手边，卡接收部分准备好接收一个馈齿形卡64。卡中用图示法描述 一个典型的数学问题，例如1+1＝2，用两个苹果示意地表示，如图 3B所示。在此，卡是用它的锯齿形边识别的：虽然原则上可使用另一个 卡识别设备，例如图1实施例中所示的设备，但卡识别设备是象图2A实 施例一样的。当卡64被插入卡接收部分时，卡在它的锯齿形边用书中处 理器阅读，处理器能识别哪一个数学问题正在被显示，并且随意地按字 朗诵数学问题。然后儿童通过按下书左手边的数字而得到附加的反馈， 且处理器通过扬声器66朗诵按下的数字。如果按压一个错误的键，则处 理器可能有选择地省略一个错误信息或音色。本发明的这个方案可以不 用在书的卡接收部分底部的5个键。

图4A示出本发明的另一方案，即动物园方案，其中在书的左手边 有多个动物68可拆卸地支持在卡上。书的左手部分只用于存放卡，并不 放置卡下的开关。左手部分可以存放多个卡。在书的右手部分，一个卡 72已插入卡接收部分。多个开关76在卡下的某些预定部位放在卡的下 面。卡本身有多个动物切断处在其中被显示，这些切断处中的每一处都 放在多个开关之一的上面。在卡已被插入，并且处理器识别哪个动物切 断物放在哪个开关上(通过识别插入的特定卡)以后，儿童就可以从卡 中取出一个动物标记定位单元。处理器可以随意地朗诵动物的名称，和/ 或产生一个与该动物有关的特征声音。当代表一个动物的标记定位单 元，例如大象标记定位单元77被模回到它在76的相关切断处时，能够 发生一件类似的事情。就是说，处理器可以激发扬声器，去朗诵一种涉 及安放动物的存于存储器中的动物声音。这样，把“大象”标记定位单 元放入卡上大象的切断处，会激发扬声器去发出一种特征大象喇叭声。 也可以发出“elephant”字声。同样，把鸭单元放入恰当的切断处会发 出鸭子的叫声；把马或斑马单元放入，会发出马嘶声；把猪单元放入， 会发出猪叫声；把鸡放入，会发出鸡叫声；把鸟放入，会发出鸟叫声； 把蛙放入，会发出蛙叫声；等等；每一种声音都以放入切断处的动物为 特征。若试图把一个不恰当的动物单元放入为某一特定动物预备的切断 处，就不会显示声音，或者随意地显示一个错误的信息。此外，若试图 把一个尺寸不恰当的动物单元放入右手边的动物切断处，就可能按不下 键，因为在所选形状与卡中切断形状之间不一致。

此外，可以根据图4A实施例分别销售许多卡，在每个卡中都有相 关的多个动物切断处。这对全部实施例都适用。

此外，图4A实施例可以在书的外壳上有多个开关69，使用户可以 为要朗诵的动物名称而选择一种预定的外文。要朗诵的名称可以任选英 文和另一外文，例如法文、西班牙文和日文。

鉴于在此透露的讲解，本专业的技术人员容易了解其他的修正与变 更。

现在描述构成本发明第一实施例部分的语言处理器电路系统。下面 的实施只是许多可能的实施之一，这是本专业的技术人员容易了解的。 下面的电路系统只用于说明目的。经适当修改的类似电路系统可以用于 本发明的其他实施例，但这样的电路系统不应视为限制本发明，因为本 专业的技术人员在不违背本发明在此公开、讲解和权利要求的范围的情 况下，可以采用许多其他的电子学实施办法。

现在把注意力转到图5和6，描述本发明的图1实施例中所用的语 音处理器电路系统。负责大部分工作的语音处理器是话音合成芯片 TSP50C19，得克萨斯仪表模型No TSP50C19，这是一个能够在存储 器中存储32K的线性预测编码(LPC)话音合成器。在存储32K的情 况下，约可存储150个字，加上这些字的语音；语音是与字分开存储的。 经适当的修改设计，可把附加的存储器加到这个芯片上。

话音合成器芯片TSP50C19是通过引线11和12连接于8欧姆的扬 声器的。引线1-4，8，9，和13-16引向控制各开关的插头，这 些开关位于书的右手部分5个键之下，或者左手部分字母表的字母之下。

这些开关排列于插头引线的标准矩阵上，具有5列，用插头COL0 -COL5表示，且最多16行，用插头STB0-STN15表示。在理论上， 这种布置可使多达96个键盘传感器开关受到支持。在图1实施例中，可 以支持总共26个英文字母表的字母，和任选的这类音素和双字母单音， 例如“不发声的e”、某些短元音和硬辅音都具有与其相关的键。此外， 还可在书的左手边支持一些代表某些基本颜色的标记定位单元。通过压 下诸键中任一键，可朗诵与键有关的声音。

插头STB14和STB15用于电路的卡识别部分，且接收来自8个二 极管并联型开关的输入，这些开关连接于卡接收部分的8个插头(图1 实施例)或键(图2A实施例)，它识别该卡，如此中更充分地解释的那 样。

构成图5和6中各部件的数值如图所示，能够总结如下，其中：K ＝千欧，μf＝微法，v＝伏，型号系指部件的型号，和字母系指部件， 指定部件的前缀字母如下：D＝二极管，BT＝电池组，C＝电容器， S＝开关，R＝电阻器，Vcc＝电源电压，Q＝晶体三极管(npn)， U＝其他部件芯片。

有一些电路的任选结构，它们能够一般地描述如下。关于扬声器， 当扬声器由语音处理器直接驱动时，确定任选项0；如果有由语音处理 器驱动的一个固定增益放大扬声器，就确定任选项1；当有一个由语音 处理器驱动的用户可调可变增益放大扬声器时，确定任选项2。键盘任 选项如下：(1)连续复位，(2)扩大键盘任选项。电力管理选择项 包括一个放大器省电状态。为了节能，设备的省电(睡眠)任选项是合 乎需要的。在省电任选项，删除电阻R9和晶体管Q1(开路)；而维持 省电任选项，可使Q1的集电极与发射极段短路。省电任选项是保存电池 使用寿命所必需的，因为虽然语音合成器芯片(TSP50C19)对省电是 可编程的，但扬声器和运算放大器会继续耗电。

参照图5和6，BT1-BT4＝1.5V；D1＝1n4001；C1＝0.1μf； C3＝10μf；C4，C5＝0.022μf；C6＝250μf；C7＝0.1μf；C8＝0.1μf； C9＝1.0μf；R4，R5＝250k(任选项1)或56k(任选项2)；R2，R3＝2.2k； R6＝10k(对数锥形分压器任选项1；删除分压器和引出线任选项2)； R7＝47k；R8＝47k；spk+，Spk-连接于8欧扬声器(任选)；运算放 大器LM386；U0＝TSP50C19；U1，U2＝74HC138；Q1＝ 2N2222A，L51(扬声器，8欧)。

对扬声器任选项0：删除U3，C1，C3-C6，R2-R6，R9， Q1。添加C9，把LS1从8欧变成30欧。

还应当指出，复位和连续复位任选项是旨在当卡被插入书的卡接收 段时，预置处理器；起动一个程序，以便处理器用于使字和/或语音同有 声卡联系起来；和当诸键被按下时，发出与诸键有关的声音。在复位方 式中，每当把卡放入卡接收段或模板时，就通过开关的手工激发进行复 位；而在连续复位方式中，则处理器能够更容易机械地复位，无需单独 的开关。这样，用连续复位任选项可删除C8和R8，且短路C8。在复 位任选项中，标明“复位”的插头是一种相反逻辑插头。

应当进一步指出，本发明的语音处理器芯片TSP50C19是可编程的 软件。然而一般说来，可以采用任何类型的电路系统或芯片。

此外，专业技术人员可以修改该电路系统，以并入此中所描述和讲 解的其他特点。

只为说明目的而提供上面的描述。本专业的技术人员可以容易明了 许多修正和更改，而它们仍属于此后在权利要求书中所述的本发明的精 神与范围之内。