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“μ C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。

本发明提供一种交互式学习机，包括：
a)多个标记定位单元，其中所述的标记定位单元通过排列来触发 多个与所述的单元有关的开关；
b)将开关与标记定位单元机械耦合的外壳；
c)位于外壳中的声音合成器，该声音合成器与开关电耦合；
d)耦合于合成器的处理器，该处理器具有存储器，该储存器储存 多个声音以及产生与标记的不同组合有关的一个或多个声音， 其中的组合包括由单独标记构成的组合；
e)由处理器驱动的扬声器；和
f)用来选择一个或多个标记定位单元上标记的触压装置，该标记 依次与一个或多个开关有关；
其中，当所述的开关被触发时，一个或多个开关使所述的处理器驱 动所述的扬声器，以产生与所述的触压装置选择的标记定位装置上 的标记有关的声音。
在本发明中，所述的触压装置是接触笔或者是手指。而开关是通过 电容耦合于所述的触压装置来触发的。
本发明的交互式学习机的外壳可以为书形的外壳。
本发明的交互式学习机中，所述的标记定位单元可以是以卡的形 式，书页的形式。其中所述的标记定位单元上的标记是以字母、单词、 数字或者影像的形式。
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，于是在书左乎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。
附图说明
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＝ln4001；C1＝0.1μf；C3＝10μ f；C4，C5＝0.022μf；C6＝250μ；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＝74HCl38；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。
本申请是中国发明专利申请号：95191774.9(PCT/US95/01445)，申 请日：1995年2月3日，发明名称为话音交互式学习机的分案申请。