AT503305B1 - METHOD FOR CONTROLLING TECHNICAL DEVICES THROUGH THE HUMAN VOICE - Google Patents
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Description
2 AT 503 305 B12 AT 503 305 B1
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von technischen Geräten durch die menschliche Stimme.The invention relates to a method for controlling technical devices by the human voice.
Die DE 102 37 951 A1 betrifft einen Roboter, der zu zeitgleich laufender Musik choreographische Bewegungen ausführt.DE 102 37 951 A1 relates to a robot that performs choreographic movements at the same time running music.
Der Roboter ist darauf programmiert, zu definierten musikalischen Merkmalen wie Takt, Rhythmus und Geschwindigkeit der Musik bestimmte Bewegungen, die nach fix vorgegebenen choreographischen Regeln definiert sind, auszuführen. Für die Steuerung werden die musikalischen Merkmale erfasst, ausgewertet und die dazugehörigen Bewegungen an den Roboter übertragen.The robot is programmed to perform certain movements defined to defined musical characteristics such as beat, rhythm and speed of the music, which are defined according to fixed choreographic rules. For the control, the musical characteristics are recorded, evaluated and transferred the associated movements to the robot.
Nachteilig bei dieser Erfindung ist, dass der Roboter auf eine sehr große akustische Bandbreite reagiert, und somit sehr unvorhersehbare Bewegungen entstehen, die lediglich für Unterhaltungszwecke verwendet werden können.A disadvantage of this invention is that the robot reacts to a very large acoustic bandwidth, and thus very unpredictable movements arise that can be used only for entertainment purposes.
Die DE 197 505 36 A1 betrifft ein Gerät zur Sprachunterstützung von Beatmungspatienten. Es wird durch einfaches Zungenschnalzen des Patienten aktiviert bzw. deaktiviert. Eine zusätzliche Funktion verhindert, dass die Kehle des Patienten während des Sprechens austrocknet. Dem Patienten wird damit das selbstständige und andauernde Sprechen ohne einem Helfer ermöglicht. Das Zungenschnalzen wird lediglich dazu verwendet, die Maschine zu aktivieren bzw. zu deaktivieren.DE 197 505 36 A1 relates to a device for language support of respiratory patients. It is activated or deactivated by simply tapping the patient's tongue. An additional feature prevents the patient's throat from drying out during speech. The patient is thus enabled to speak independently and continuously without an assistant. The tongue-click is used only to activate or deactivate the machine.
Es ist eine Vielzahl von Steuerungen mit Spracherkennungssystemen bekannt. Dabei werden benutzerspezifische Sprachmerkmale bzw. Sprachmuster in einem Lernmodus als Sprachbe-fehle bzw. Kommandos erfasst und bestimmten Operationen zugeordnet. Im Betriebsmodus wird ein Sprachbefehl von der Steuerung über einen akustischen Sensor erkannt und die dafür zugeordnete Operation auf eine Maschine übertragen.There are a variety of controls with speech recognition systems known. In this case, user-specific speech features or speech patterns in a learning mode are detected as voice commands or commands and assigned to specific operations. In the operating mode, a voice command is recognized by the controller via an acoustic sensor and the associated operation is transmitted to a machine.
Nachteilig bei diesen Systemen ist, dass ihre nutzerspezifische Konfiguration und Programmierung sehr viel Zeit und Speicherplatz benötigt und dass je Sprachbefehl nur eine bestimmte Operation ausgeführt bzw. gestoppt werden kann. Dadurch ist damit nicht möglich, mit einfachen Befehlen eine Maschine unmittelbar und zuverlässig mit exakt steuerbarer, variabler Dauer der Bewegungen zu manipulieren.The disadvantage of these systems is that their user-specific configuration and programming requires a great deal of time and storage space and that only one specific operation can be executed or stopped per voice command. As a result, it is not possible with simple commands to manipulate a machine directly and reliably with precisely controllable, variable duration of the movements.
Die US 6 108 592 A und die JP 2000-084004 A zeigen elektrisch betriebene Rollstühle, welche auf diese Weise angesteuert werden.US Pat. No. 6,108,592 A and JP 2000-084004 A show electrically operated wheelchairs which are activated in this way.
Die DE 600 14 833 T2 beschreibt einen Roboter, welcher mit Hilfe von in Worten gesprochener Sprache gesteuert werden kann. Gemäß einer Variante davon wird die Tonhöhe des Sprachsignals extrahiert und in Abhängigkeit davon wird ein „Emotionszustand“ des Roboters gesteuert. Dieser „Emotionszustand“ bedeutet eine komplexe Adaption von vorgefertigten Bewegungsmustern, welche über komplexe Spracherkennung einzelnen Wörtern oder Sätzen zugeordnet sind.DE 600 14 833 T2 describes a robot which can be controlled by means of words spoken in speech. According to a variant thereof, the pitch of the speech signal is extracted, and depending on this, an "emotion state" of the robot is controlled. This "emotion state" means a complex adaptation of prefabricated motion patterns, which are assigned to individual words or sentences via complex speech recognition.
Die DE 100 60 544 A1 beschreibt eine mit Sensoren, Aktionsmitteln wie Antrieben und Lautsprechern sowie Datenübertragungsmitteln ausgestattete, steuerbare Puppe, welche in einer Ausführungsvariante auch mit Mitteln zur Spracherkennung versehen ist. Dabei wird auch die Klanganalyse der empfangenen Sprache nach Tonhöhe und Tondauer vorgeschlagen, um damit beispielsweise die Puppe zum Mitsingen veranlassen zu können.DE 100 60 544 A1 describes a controllable doll equipped with sensors, action means such as drives and loudspeakers as well as data transmission means, which in a variant embodiment is also provided with means for speech recognition. Here, the sound analysis of the received language by pitch and duration of sound is proposed, so as to cause, for example, the doll to sing along.
Weiters sind Vorrichtungen zur Steigerung der Lebensqualität von Personen mit starker Bewegungsbeeinträchtigung, wie z.B. mit Rückenmarkverletzung im Bereich der Halswirbelsäule bekannt, wobei Biosignale wie Gehirnströme oder Muskelbewegungen als Eingangssignale für die Steuerung verwendet werden. Derartige Lösungen sind noch nicht marktreif, da eine exakte 3 AT 503 305 B1Furthermore, devices for increasing the quality of life of persons with severe movement impairment, such as e.g. cervical spinal cord injury using biopsy signals such as brain waves or muscle movements as inputs to the control. Such solutions are not yet ready for the market, since an exact 3 AT 503 305 B1
Steuerung mit den niedrigen Signalpegeln kaum möglich ist. Weitere Nachteile sind sehr hohe Anforderungen an Konzentrationsfähigkeit und Selbstbeherrschung des Benutzers, sowie eine starke Verkabelung.Control with the low signal levels is hardly possible. Other disadvantages are very high demands on the ability to concentrate and self-control of the user, as well as a strong wiring.
Von diesem Stand der Technik ausgehend hat sich der Erfinder die Aufgabe gestellt, mit einfachen, stimmlich erzeugten Lauten eine große Bandbreite von technischen Anwendungen präzise und kontrolliert zu steuern.Starting from this state of the art, the inventor has set itself the task to control a large range of technical applications precisely and in a controlled manner with simple, vocally produced sounds.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein stimmlich erzeugter Laut - des weiteren kurz „Steuerton“ genannt - z.B. ein Summen, hauptsächlich charakterisiert durch Grundfrequenz, Lautstärke und Dauer in die Steuerung eingelesen, analysiert, bestimmten Funktionen des zu steuernden technischen Gerätes zugeordnet, dementsprechend ein Steuersignal erzeugt und an das technische Gerät gesandt. Über unterschiedliche Frequenzen werden die jeweiligen Funktionen angesprochen. Die Lautstärke des Steuertons bestimmt den Wert der jeweils gestarteten Funktion. Beispielsweise kann durch Summen eines Tones in einer bestimmten Tonhöhe eine Bewegung eines technischen Gerätes in eine bestimmte Richtung gestartet werden. Die Lautstärke des gesummten Tones bestimmt die Geschwindigkeit dieser Bewegung.To solve this problem, a vocally generated sound - also called "control tone" for short - e.g. a sum, mainly characterized by fundamental frequency, volume and duration read into the controller, analyzed, assigned to certain functions of the technical device to be controlled, accordingly generates a control signal and sent to the technical device. The respective functions are addressed via different frequencies. The volume of the control tone determines the value of the currently started function. For example, by humming a tone at a certain pitch, a movement of a technical device in a certain direction can be started. The volume of the hummed sound determines the speed of this movement.
Fig. 1: veranschaulicht den Ablauf von der Erfassung des stimmlich erzeugten Lautes bis zur Ausgabe des Steuersignals auf Antriebe einer technische Anwendung.Fig. 1: illustrates the sequence from the detection of the vocally generated sound to the output of the control signal to drives of a technical application.
Fig. 2: zeigt eine mögliche Zuordnung der Grundfrequenzen einer Tonleiter zu verschiedenen Bewegungsrichtungen im Raum.Fig. 2: shows a possible assignment of the fundamental frequencies of a scale to different directions of movement in space.
In einer einfachen Ausführung hält die so gestartete Funktion so lange an, so lange der zugehörige Steuerton anhält.In a simple execution, the function started in this way lasts as long as the associated control tone stops.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung wird die Funktion durch einen Steuerton, welcher auch kurz sein kann, gestartet, und hält so lange an, bis sie durch einen weiteren dafür kennzeichnenden Steuerton wieder gestoppt wird. Dieser zweite Laut kann beispielsweise der gleiche wie der zum Starten erforderliche sein. Es kann aber auch eine weitere nachfolgende oder auch gleichzeitige Funktion auslösen. Gegenüber der zuvor oben beschriebenen einfachen Ausführungsform ist an dieser Methode vorteilhaft, dass es nicht erforderlich ist Töne lang auszuhalten - was insbesondere für Menschen mit Atemproblemen sehr schwierig ist -, und dass am technischen Gerät mehrere Funktionen zeitlich überlappend eingeschaltet werden können.In an advantageous further development of the invention, the function is started by a control tone, which may also be short, and stops until it is stopped again by a further control tone characterizing it. For example, this second sound may be the same as that required for starting. But it can also trigger another subsequent or simultaneous function. Compared to the simple embodiment described above is advantageous in this method that it is not necessary to endure sounds long - which is very difficult especially for people with breathing problems - and that several functions can be switched overlapping in time on the technical device.
Der Steuerton 1 gemäß Fig. 1 ist ein stimmlich erzeugter Laut, welcher mit annähernd gleicher Grundfrequenz kontinuierlich aufrecht erhalten werden kann. Gut geeignet sind Laute wie Summlaute und Selbstlaute. Weniger gut geeignet sind kontinuierlich ausführbare Zischlaute wie z.B. f, s, v, da an diesen Lauten kaum eine Tonhöhe erkennbar ist. Ungeeignet sind solche Laute, welche durch einen plötzlichen Übergang zwischen dauerhafteren Zuständen der an der Lautbildung beteiligten Stimmorgane gebildet werden, da derartige Laute nur kurz klingen können, und da sie in der Tonhöhe praktisch nicht einstellbar sind.The control tone 1 according to FIG. 1 is a vocally generated sound which can be maintained continuously with approximately the same fundamental frequency. Well suited are sounds such as humming and auto sounds. Less suitable are continuously executable sibilants such as e.g. f, s, v, since hardly any pitch is recognizable on these sounds. Unsuitable are those sounds which are formed by a sudden transition between more permanent states of the vocal organs involved in the phonation, since such sounds can only sound short, and since they are practically not adjustable in pitch.
Der Steuerton 1 bedeutet eine Befehlseingabe durch die das technische Gerät steuernde Person.The control tone 1 means a command input by the person controlling the technical device.
Ein Mikrofon 2 erfasst den Steuerton 1 und wandelt ihn in ein elektrisches bzw. elektromagnetisches oder digitales Signal um. Es sind Vorkehrungen zu treffen, damit Umgebungsgeräusche möglichst wenig mit aufgenommen werden. Beispielsweise kann das Mikrofon sehr nahe am Mund der steuernden Person, oder direkt am Kehlkopf angebracht werden, oder es wird ein entsprechend angepasstes Richtmikrofon verwendet, oder es wird im Mikrofon eine Filterung vorgenommen, sodass ohnedies nur die Frequenzen im interessierenden Spektrum aufgenommen werden können. 4 AT 503 305 B1A microphone 2 detects the control tone 1 and converts it into an electrical or electromagnetic or digital signal. Precautions must be taken to minimize ambient noise. For example, the microphone can be placed very close to the person controlling the mouth, or directly on the larynx, or a directional microphone adapted accordingly, or filtering is performed in the microphone, so that in any case only the frequencies in the spectrum of interest can be recorded. 4 AT 503 305 B1
Aus dem vom Mikrofon 2 abgegebenen Signal werden in der Analyseeinheit 3 die wesentlichen Informationen, im dargestellten Beispiel die Frequenz der Grundschwingung des Steuertons, und die Lautstärke des Steuertons, beispielsweise an Hand der Amplitude der Grundschwingung, extrahiert. Diese Informationsgewinnung kann beispielsweise mit Hilfe des Verfahrens der schnellen Fourier-Transformation, oder mittels analoger Filterung der Grundfrequenz abgewickelt werden.From the signal emitted by the microphone 2, the essential information in the analysis unit 3, in the example shown, the frequency of the fundamental tone of the control tone, and the volume of the control tone, for example, on the basis of the amplitude of the fundamental wave extracted. This information acquisition can be handled for example by means of the method of fast Fourier transformation, or by means of analog filtering of the fundamental frequency.
Weitere Merkmale des Steuertons 1, beispielsweise Obertonverteilung oder Rauschanteil können entweder ignoriert werden, zu erweiterten Steuerbefehlen, oder unter Anwendung einer entsprechenden Datenverarbeitung beispielsweise dazu herangezogen werden, zu erkennen, ob der vom Mikrofon erfasste Ton überhaupt ein Steuerton ist.Further features of the control tone 1, for example harmonic distribution or noise component, can either be ignored, applied to extended control commands, or, using appropriate data processing, for example, to detect whether the tone detected by the microphone is at all a control tone.
In einer Funktionstabelle sind definierte Frequenzbereiche der Grundfrequenz, bestimmten Funktionen der technischen Anwendung, beispielsweise Bewegungsrichtungen (Fig. 2), zugeordnet. Gemäß dieser Tabelle wird auf Basis der jeweils aktuell vorliegenden Information über die Grundfrequenz und die Amplitude des Steuertons 1, ggf. ein Steuersignal erzeugt, und an das ausführende technische Gerät 5 gesandt, welches daraufhin die entsprechende Aktion, beispielsweise eine Bewegung in eine bestimmte Richtung ausführt.In a function table, defined frequency ranges are assigned to the fundamental frequency, to certain functions of the technical application, for example directions of movement (FIG. 2). In accordance with this table, a control signal is generated on the basis of the respectively currently available information about the fundamental frequency and the amplitude of the control tone 1, and sent to the executing technical device 5, which then executes the corresponding action, for example a movement in a certain direction ,
Im vorliegenden Beispiel bestimmt der Aspekt „Amplitude“ des Steuertons 1 den Wert der Funktion (beispielsweise die Geschwindigkeit). Am Beispiel Geschwindigkeit heißt das, dass die entsprechend Steuerbefehl ausgeführte Bewegung mit umso höherer Geschwindigkeit verläuft, umso lauter der Steuerton 1 ist. Die Dauer der Ausgabe des Steuersignals entspricht der Dauer des Ertönens des Steuertons 1. Stoppt der Steuerton 1, stoppt praktisch gleichzeitig die Ausgabe des Steuersignals und damit auch die Bewegung des ausführenden technischen Gerätes 5.In the present example, the aspect "amplitude" of the control tone 1 determines the value of the function (for example, the speed). By the example of speed this means that the movement executed according to the control command proceeds at an even faster rate, the louder the control tone is 1. The duration of the output of the control signal corresponds to the duration of the sounding of the control tone 1. Stops the control tone 1, stops virtually simultaneously the output of the control signal and thus the movement of the executive technical device. 5
Der Prozess, Erfassung und Analyse des Steuertons 1, Funktionszuordnung und Ausgabe des Steuersignals, erfolgt in Echtzeit. Bei der Erfassung einer neuen Grundfrequenz oder einer Änderung der Amplitude wird das Steuersignal 6 sofort entsprechend angepasst und für die Dauer des Steuertons 1 ausgeführt.The process, acquisition and analysis of the control tone 1, function assignment and output of the control signal, takes place in real time. When detecting a new fundamental frequency or a change in amplitude, the control signal 6 is immediately adapted accordingly and executed for the duration of the control tone 1.
Am Beispiel Bewegung heißt das, durch das Summen einer Tonhöhe wird eine Bewegung des technischen Gerätes in eine bestimmte Richtung ausgeführt. Durch Änderung der Tonlautstärke und Beibehalten der Tonhöhe wird die Geschwindigkeit der Bewegung reguliert. Stoppt das Summen, stoppt auch die Bewegung.The example of movement means that by humming a pitch, a movement of the technical device is carried out in a certain direction. Changing the sound volume and maintaining the pitch controls the speed of the movement. If the buzzing stops, the movement also stops.
Die Frequenzbereiche und die dafür gewünschten Funktionen sind beliebig zuzuordnen. Werden die Frequenzbereiche mit einer Tonleiter von acht Tönen belegt, können die Töne sechs unterschiedlichen Richtungen und zwei zusätzlichen Steuerbefehlen zugeordnet werden. Dadurch kann ein Roboterarm bzw. ein Cursor auf einem Bildschirm in sechs Richtungen bzw. drei Freiheitsgraden mit zwei zusätzlichen Befehlen z.B. Handschließen und Handöffnen vom Benutzer bewusst gesteuert werden. Vorteilhaft dabei ist, wenn man zwei benachbarte Töne der Tonleiter zur Steuerung eines Freiheitsgrades verwendet, dass also jeweils zwei benachbarte Töne Bewegung in entgegengesetzte Richtung bewirken (siehe Fig. 2).The frequency ranges and the required functions can be assigned as desired. If the frequency ranges are assigned a scale of eight tones, the tones can be assigned to six different directions and two additional control commands. Thereby, a robot arm or a cursor on a screen in six directions or three degrees of freedom with two additional commands, e.g. Manual closing and manual opening are controlled by the user. It is advantageous if two adjacent tones of the scale used to control a degree of freedom, so that in each case two adjacent tones cause movement in the opposite direction (see Fig. 2).
Je nach Übung und Fertigkeit des Benutzers kann das akustische Signal noch nach Halbtönen oder Obertönen bzw. nach der Klangfarbe differenziert und dadurch einer Vielzahl von unterschiedlichen Funktionen zugeordnet werden. Obertöne in diesem Sinne sind ganzzahlige vielfache Tonfrequenzen der Grundfrequenz. Die Klangfarbe in diesem Sinne setzt sich aus Grundton, Obertönen und Rauschanteil zusammen. Beispielsweise können so verschiedenen Vokale verschiedenen Funktionen zugeordnet werden.Depending on the exercise and skill of the user, the acoustic signal can still be differentiated by semitones or overtones or by the timbre and thereby assigned to a variety of different functions. Harmonics in this sense are integer multiple tone frequencies of the fundamental frequency. The timbre in this sense is composed of the basic tone, overtones and noise. For example, such different vowels can be assigned to different functions.
Durch Zuordnung der Grundfrequenz zum Winkel bei Polarkoordinaten erreicht man bei Zwischentönen schräge Bewegungen in einer definierten Raumebene.By assigning the fundamental frequency to the angle in polar coordinates, you can achieve oblique movements in a defined spatial plane with intermediate tones.
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