无线嘴控摩斯码应用系统

無線嘴控摩斯碼應用系統楊正宏*、龔漢忠國立高雄應用科技大學電子工程系摘要在本文中，我們設計與建構一套適合身心障礙者使用的『多輔具電腦桌面輔助系統』。

本系統係利用自製的嘴控輔具，藉由Morse Code輸入經辨識後，得以運用在生活機能的相關設備上。

並且結合臨床上身心障礙者使用電腦的需求及模式。

以互動學習的理念結合視覺與聲音設計出能取代一般電腦作業系統桌面的新型桌面系統，以達到降低身障者使用電腦的難度及達到輔助身障者使用電腦的目標。

壹、前言隨著資訊時代的來臨，電腦及相關資訊配備已成為生活的必需品，但是對於身心障礙者而言，如腦性麻痺患者、肌肉萎縮症病患、重度肢障者或高脊椎損傷患，他們無法像正常人一樣，自由的使用滑鼠與鍵盤，因此必須透過經特殊設計的科技輔具來協助他們使用電腦相關設備[1-3]。

國內近年來逐漸重視輔助性科技的發展與應用，輔助性科技包含輔助性科技設備(assistive technology device)與輔助性科技服務(assistive technology service)。

隨著科技的進步，科技輔具所扮演的角色愈來愈重要，在各種科技輔具中，以建構在電腦上的軟硬體設備最多，因其可利用的功能包括提供訓練、教學、學習與輔助設計等。

在國外專為殘障者特殊設計的電腦輔助輸入設備很多，如head mouse, mini-keyboard, king-sized keyboard, trackerball, joystick, alternative keyboard, keyguard, touch screen, and single switch 等。

但對於手部功能不便，如肌肉萎縮症、腦性麻痺者或重度肢障者，為幫助他們因無法使用標準鍵盤，替代性鍵盤(substitute keyboard)是須要的，所以我們將為這一類身障者設計一以嘴來控制的輔具及電腦輔助桌面系統。

幫助他們自我學習、成長，使之獲得獨立的的生活能力，安全而方便的使用各種環境，以促進其心理、社會及經濟等方面的適性發展與生活定位。

貳、研究目的本系統的目的在於針對電腦嘴控輔具做改良，以製作出方便操作且極低成本，讓有需要的使用者都能購買的起，使用無負擔，並結合本團隊開發的『多輔具電腦桌面系統』，使得輔具使用者熟悉輔具的操作，進而達到上網、打字或收發電子郵件，以提供身心障礙者良好的電腦溝通界面。

本系統的『多輔具電腦桌面系統』模組，依照身障者使用電腦的需求及模式，而量身打照出全新的電腦使用桌面系統，以達到使身障者使用電腦無障礙的目的，並考慮到其擴充性的問題，硬體設計方面使用模組化設計觀念，因此未來可陸續增加針對不同患者所開發的操作輔具，並藉由圖形化介面，方便患者操作家電用品，如電燈、電扇和電視等，進而完成環境控制。

參、文獻探討在各種科技輔具中，以建構在電腦的軟硬體設備最多。

在先進國家的醫療方面學者專家，期許藉由電腦能擴大殘障者殘存的能力、補償較為不足或有提升的能力。

部分障礙者是無法使用一般的電腦，他們需要結合適當的輔具，而專為障礙者所特殊設計的電腦輔助輸入設備很多，如mini-keyboard, joystick, head mouse, king-keyboard, trackerball, alternative, keyboard, keyguard 等。

本系統著重在摩斯碼辨識演算法的應用。

摩斯碼(Morse code)是由美國電報發明家摩斯(Samuel F. Morse)發明的，摩斯碼是藉由點、劃、及間隔三者組合而成，以代表字母、數字、及標點符號。

以時間的長短來區分，一畫等於三點，每個字母內點畫之間隔等於一點之長度，每個字中字母間之間隔等於三點之長度，每一句中字與字之間等於六點之長度。

傳遞訊號的方式1可藉由單鍵的按下與放開來實現，根據按下或放開的時間長短即可分出長短音或長短間隔。

標準摩斯碼規定長短音的比是3:1，而且長短間隔的比亦是3:1。

摩斯碼為國際性通訊碼，其操作具備簡單、快速、成本低的特性，故極適合做為殘障者與外界溝通的輔助工具。

然而，使用摩斯碼的限制是需要穩定的控制打字速度，系統才能有效的辨識所輸入的字元，對一般人皆屬不易，何況是障礙者 [4-7]。

本系統利用調適性摩斯碼辨識演算法包括（4-7）。

在（4）中是利用最小均平方(Least-Mean Square, LMS)的技術，設計一套辨識不固定速率的系統。

之後在（5）中又合併LMS及字元配對的方法，提出另一系統以改進之前的限制，大幅提升系統的實用性。

但在（6-7）中的方法提到，（4-5）辨識法的調整是以字元為辨識的基準，然而（6-7）是利用二個臨界值做為調整的標準，而且是針對每一個讀入鍵按下與鍵放開的元素值進行調整，此種方式的好處是對於使用者的打字行為可立即反應於辨識系統，然後進行調整辨識標準。

並且使得辨識率大大的提升。

圖2. 輸入控制模組肆、研究方法本系統主要的研究如下：（1）運用摩斯碼，成功以單鍵或雙鍵取代電腦進行文書輸入。

（2）設計摩斯碼訓練系統，提供輔具使用者完整的訓練程序。

（3）設計嘴控輸入輔具取代滑鼠輸入。

（4）設計摩斯碼輸入法，包含英文字母、注音輸入及倉頡輸入。

（5）多輔具電腦桌面輔助系統。

完整之架構圖如圖1所示。

本系統共分為六個模組: Input Device Module, Input Control Module, Wireless Receive Module, Recognition Module, Analysis Module ，MorseDesktop Module 。

使用者如圖2所示，輸入模組主要包括XY 軸位移信號編碼處理、滑鼠左右鍵的編碼處理及無線發射部份。

XY 軸位移信號編碼處理部份：當收到前一級的XY 軸位移信號後，編碼器依編碼原則產生出，上、下、左、右、左上、左下、右上、右下八組編碼，再經調變後以射頻（RF）方式發射出去。

至於左鍵及右鍵，當使用者按下或放開單鍵按鍵時，皆產生一觸發信號，經過類比/數位轉換電路後，由微電腦將其對應的碼以及按鍵或放鍵的資訊組合成一個位元組的資料，並依據使用者按下或放開的時間長短及間隔做判斷，將信號由數位轉換成類比，再經調變後以RF 射頻方式發射出去。

經由Input Device Module 以嘴巴控製X 軸及Y 軸電位感測器產生位移感應電位，並且以牙齒咬合動作控制左鍵右鍵的開關信號。

這兩種信號由Input Device Moduke 送到訊號處理電路， 處理過的信號藉由RF 無線發射電路發射RF 訊號至Wireless Receive Module 的無線接收電路，而RF （Radio Frequency ）無線接收電路接收信號之後，再經由PS/2（Personal System/2）轉換介面，轉換成電腦的輸入信號，接著送入Recognition Module 以辨識所輸入的訊號是摩斯碼的長音或短音，最後再送至Analysis Module 以分析和處理所有輸入的摩斯碼信號，再把處理過的資料存入資料庫及輸出統計的結果。

以下將詳細說明每個模組的功能： (一) 輸入裝置模組(Input Device Module )如圖1所示，本模組主要包括X 軸及Y 軸的電位感測器以及取代滑鼠左鍵及右鍵的微型精密開關。

首先說明XY 軸之電位感測器：當使用者撥動搖桿時，XY 軸電位感測器會感應出一組特定的感應電位信號，之後將X 軸及Y 軸兩個信號分別送到下一級的輸入控制模組作位移的編碼。

其次是取代滑鼠的左鍵及右鍵的精密開關：當使用者以牙齒咬合動作觸動開關時皆會產生一觸發信號，兩個開關就會產生兩個觸發信號，這兩個信號會經信號會經一級的彈跳處理後送到下一級的輸入控製模組作信號的編碼。

(二) 輸入控制模組依標準摩斯碼規定，長短音的比是3:1，而且長短間隔的比亦是3:1。

長音為dash ，短音為dot ，一畫等於三點，每個字母內點畫之間隔等於一點之長度；每個字中字母間之間隔等於三點之長度；每一句中字與字之間等於六點之長度。

本無線發射信號以頻率2.4GHz 之高頻無線傳輸技術，距離達三公尺以上。

擺脫連接線的牽絆開其他無線裝置的干擾，使用者將更為方便。

(三) 無線接收模組如圖3當無線接收模組從天線接收到發射器所發射出來的射頻信號，會先將該訊號降頻，再經由解調、濾波、放大等電路，一方面可去除雜訊，一方面將遠端所傳來的微弱信號放大，如此可將信號還原並減少失真之機率。

最後，將信號由類比轉成數位後，透過PS/2介面傳送到電腦。

(四) 辨識模組在使用者操作硬體電路後所傳出的號，都會由軟體中最核心的部份--辨識模組，來進行訊號的辨別。

本辨識模組包括（4-7）等辨識法，計算出不同的長音值、短音值和間隔間。

此外，對於不同程度的使用者可自訂定短音的最大值和長音的最小值及字與字之間的間隔時間。

（4）利用最小均平方(Least-Mean Square, LMS )的技術，設計一套辨識不固定速率的系統。

之後（5）又合併LMS 及字元配對的方法，提出另一系統以改進之前的限制，大幅提升系統的實用性。

（6）（7）圖3. 無線接收模組與（4-5）的方法最主要的區別，在於他們的辨識法的調整是以字元為辨識的基準，然而（6-7）是利用二個臨界值做為調整的標準，而且是針對每一個讀入鍵按下與鍵放開的元素值進行調整，此種方式的好處是對於使用者的打字行為可立即反應於辨識系統，然後進行調整辨識標準。

(五)分析模組主要用以處理及分析使用者輸入的摩斯碼資料，透過與資料庫的連結，顯示使用者練習情形，並將所得情形，以長條圖和曲線圖等圖形介面來呈現，包括輸入的正確率、輸入的速度、比值變動係數、速度變動係數、短音變化值、長音變化值、短音間隔變化值、長音間隔變化值和統計表。

(六) 多輔具電腦桌面輔助系統如圖四，結合前述所提到的各模組並且依照身障者使用電腦的需求及模式，大量簡化一般使用電腦的煩瑣程序，使身障者能夠以『One Step』程序來控制電腦執行身障者所要達到的功能。

本多輔具電腦桌面輔助系統提供完全由身障自定的系統功能及模式。

身障者可依其本身的需求在食、衣、住、行、育、樂的不同情境上自訂出符合自己使用習慣的電腦桌面。

本『多輔具電腦桌面輔助系統』，可結合摩斯碼輔具、嘴控輔具、眼控輔具、腦波控制輔具等，並且結合全新開發的訓練模組及辨試分析模組，使得使用者能更快速的適應電腦的操作。

對於言語表達能力差的使用者，可以使用本系統所提供的『Text To Speech』功能而達到『叫人』、『緊急呼救』、『需求表達』的初步言語功能。

詳細之系統畫面如後附圖四所示。

伍、結果與討論本系統含蓋摩斯碼訓練系統、中文輸入法之摩斯碼編碼、嘴控輔具。

以下就各別系統的成果分別討論如下：嘴控輔具：為身心障礙者提供了適合的輔具。