圖書館圖書自動存取機器人的研究與應用*

方建軍 （北京聯(lián)合大學自動化學院 北京 100101）

張 曄 （北方工業(yè)大學機電工程學院 北京 410004）

多數(shù)圖書館通過二維條碼和數(shù)據(jù)庫技術基本實現(xiàn)了利用圖書管理信息系統(tǒng)進行圖書采購、圖書典藏、讀者借還書等環(huán)節(jié)的信息化，提升了圖書館的管理和服務水平。然而，在信息化浪潮中，圖書館缺少以機械化為基礎的自動化，圖書的上下架、搬運、貼條碼、分類和查重等操作仍然依靠人工來完成[1]。大、中型圖書館每天的圖書借閱量大，圖書歸類、搬運和上架等作業(yè)需要花費大量的人力，有時還會出現(xiàn)圖書上架錯誤。而利用機器人技術實現(xiàn)圖書自動分類和上下架，不僅能夠減輕圖書館員的勞動強度，還能提高其工作效率，尤其適用于閉架借閱圖書的圖書館。自動化技術和信息技術的有效融合是未來圖書館信息化的重要發(fā)展趨勢。

圖書館信息管理系統(tǒng)、圖書自動存取系統(tǒng)和物流配送系統(tǒng)的結(jié)合可以滿足讀者居家借閱和歸還圖書的需要。因此，開發(fā)和應用圖書自動存取機器人具有顯著的社會和經(jīng)濟價值。本文首先回顧了國內(nèi)外圖書自動存取機器人的研究、開發(fā)和應用，然后詳細分析了圖書館圖書自動存取機器人的關鍵技術，指出了圖書自動存取機器人的未來發(fā)展趨勢和商業(yè)化應用的有效途徑。

1 國內(nèi)外圖書館圖書自動存取機器人的應用情況

目前，大部分圖書館都是利用人工整理、清點、查找和上下架圖書，耗時費力。為了提高圖書館自動化水平，圖書館圖書自動存取機器人應運而生。目前，圖書館圖書自動存取機器人主要用于圖書的搬運和自動存取，自動存取的主要形式有3種：①基于書架的自動化，輔以自動傳送系統(tǒng)實現(xiàn)圖書的自動存??；②通過移動機器人與立體倉庫的配合完成圖書的自動存??；③完全意義上的由移動機器人完成圖書的自動存取。

1.1 自助圖書存取機器人

迷你型自助圖書館是一種類似于銀行ATM機的自助圖書存取機器人。其書庫由若干排獨立移動的機械柜組成，每個機械柜配置有單獨的圖書傳送機構(gòu)，可單獨實現(xiàn)圖書自動存取操作。讀者借閱圖書就像從銀行ATM機上取鈔票一樣。歸還圖書時，讀者只需將圖書放入還書口即可。美國舊金山市康特拉科斯塔縣最早推出了迷你型自助圖書館。2007年12月，東莞圖書館推出了國內(nèi)首臺可容納500冊圖書的迷你型自助圖書館[2]，其兼容條形碼和RFID（Radio Frequency Identification，無線射頻識別）技術，并結(jié)合智能機械手技術的應用實現(xiàn)了圖書自動外借、還書自動歸架，所還圖書可即時外借，降低了圖書物流等運行成本。此后，深圳市和北京市也陸續(xù)出現(xiàn)了迷你型自助圖書館，為市民提供24小時圖書借還服務。截至2010年底，北京、上海、廣州、深圳、鄭州、鄂爾多斯等地區(qū)相繼推出了迷你型自助圖書館。

1.2 自動倉儲式圖書館機器人

2002年，美國猶他州J.Willard Marriott 圖書館通過一種大型自動圖書存取中心（Automated Retrieval Center，簡稱ARC）構(gòu)建自動倉儲式圖書館。該圖書館的藏書庫被設計成可存儲200萬冊圖書的立體化倉庫，由碼垛機和機器人共同完成圖書的自動存取。當圖書館員或讀者發(fā)出取書指令后，碼垛機從立體倉庫中取出圖書，由移動機器人將圖書送到借書口，還書過程正好與取書過程相反。自動倉儲式圖書館的優(yōu)點是，自動倉儲系統(tǒng)的工作效率和自動化程度高；缺點是，系統(tǒng)造價高，僅機器人系統(tǒng)就高達1 200萬美元，一般圖書館沒有財力購買。但J.Willard Marriott圖書館的管理層認為，應用ARC系統(tǒng)能夠節(jié)省巨大的圖書管理成本[3]。同時，ARC系統(tǒng)還存在一旦自動化系統(tǒng)發(fā)生故障則整個書庫無法運行的缺點。美國芝加哥大學圖書館也在使用這種圖書自動存取裝置。由于造價過高和其他原因，我國還沒有圖書館使用這種設備。

1.3 自主移動式圖書搬運機器人和圖書自動存取機器人

（1）圖書搬運機器人

只有進行全新設計的移動書架才比較適合安置在社區(qū)或街頭的小型圖書館。而自動倉儲式圖書館不僅造價高，而且還要對圖書館的普通書柜進行全面改造，推廣應用的可能性極低。在不改變圖書館書架的前提下，利用智能移動機器人搬運、自動上下架圖書是一種切實可行的應用方案。按照功能分類，圖書館的移動機器人可分為兩種基本類型：一種是只負責將圖書搬運到指定地點；另一種是不僅將圖書搬運到指定地點，還能自動進行圖書上下架操作。從目前的研究和報道來看，用于圖書搬運的移動機器人已經(jīng)在德國洪堡大學圖書館（見圖1）和日本大阪市立大學圖書館（見圖2）中得到應用。德國洪堡大學圖書館投入使用的圖書搬運機器人[4]的基本功能是在總服務臺與各功能區(qū)之間自動傳送需要上架和分檢的書刊。機器人的上部設有導軌，使機器人可以將收集箱自動卸在固定的位置上。這種機器人可在一樓和二樓之間不斷往返、穿梭運送和回收書刊。圖書館電梯門口設有金屬感應條，當機器人走到電梯口時，電梯自動開啟。整個機器人系統(tǒng)耗資38萬歐元，相當于7個圖書館員的年薪。日本大阪市立大學圖書館的圖書搬運機器人可以根據(jù)指令將圖書送到指定的地方。讀者閱讀后將圖書放在指定的小車上即可，搬運機器人將自動行駛到小車旁邊，通過托盤將小車托起并搬運到指定地點。移動機器人的自主導航是依靠埋設在圖書館地面上的磁導引線實現(xiàn)的。以上兩種圖書館圖書搬運機器人只能將圖書按照分類搬運到指定位置，并不能完成圖書的自動上下架操作，圖書整理和上下架操作仍然需要人工完成。圖書自動上下架機器人目前正處在實驗研究階段，其智能化和自動化程度高，雖然現(xiàn)在沒有商業(yè)應用的案例，但它代表了未來圖書館機器人的發(fā)展方向。

圖1 德國洪堡大學圖書館的圖書搬運機器人

圖2 日本大阪市立大學圖書館的圖書搬運機器人

（2）圖書自動存取機器人

2002年，美國約翰·霍普金斯大學的研究人員研制了一種完整意義上的圖書館機器人實驗裝置，即CAPM（Comprehensive Access to Printed Materials，存取不同類型印刷品）圖書自動存取機器人[5]（見圖3）。它由移動裝置、機械手、升降裝置和視覺系統(tǒng)等組成，可以實現(xiàn)機器人的自主導航、圖書抓取與存儲、圖書瀏覽等。CAPM圖書自動存取機器人的移動路徑是依靠存儲在機器人主控制器中的電子地圖來實現(xiàn)的。當控制系統(tǒng)發(fā)出存取圖書的指令后，機器人將按照事先設計好的路線移動并完成存取圖書等動作。該機器人圖書自動存取操作的實現(xiàn)，需要對書架進行適應性設計，如每本圖書在書架上的排列要松散且需要有類似文件夾的裝置使其保持直立。

在CAPM圖書自動存取機器人的基礎上，新加坡國立大學Kho Hao Yuan等人在2002年研究了基于RFID定位技術的智能圖書存取機器人[6]。智能圖書存取機器人由機械手、放置圖書的托盤和書架組成。與傳統(tǒng)樣式的書架不同，設計的新型書架是由可以放置若干個裝有托盤的儲物柜組成，圖書放置在固定規(guī)格的托盤上，然后由機器人送到書架指定位置上。研究人員通過改造傳統(tǒng)的圖書放置方式簡化了機器人機械手的結(jié)構(gòu)設計，使末端執(zhí)行器無需做復雜的抓取動作就能完成圖書的上下架操作。由于需要對書架進行改造，這種圖書自動存取機器人的設計思路很難得到大范圍的推廣。

圖3 美國約翰·霍普金斯大學研制的圖書館機器人

2003年，西班牙卡斯捷羅大學的Ramos-Garijo R等人設計了一款名為UJI（Universitat Jaume I，海梅一世大學）的圖書自動存取機器人[7]。2004年，Prats M等人對UJI圖書自動存取機器人進行了改進[8]（見圖4）。UJI機器人擁有3個移動車輪、7個關節(jié)的機械手和2個手指的“手”，主要用手指抓取物體。其還裝備有攝像機和傳感器，用來識別圖書和定位末端執(zhí)行器。當UJI機器人頭部識別系統(tǒng)收到讀者發(fā)送的圖書查詢要求后，將從圖書數(shù)據(jù)庫中獲取關于所需圖書的存放位置信息，然后行駛到書架旁邊，綜合利用紅外線和激光導航對4米范圍內(nèi)的全部圖書進行掃描，找到讀者需要的圖書。這種設計充分利用了書架空間，書與書之間是緊密連接的，書架也不需要做大的改動，適宜在傳統(tǒng)圖書館中推廣使用。

圖4 西班牙卡斯捷羅大學的圖書館機器人

2 圖書自動存取機器人的關鍵技術及其解決措施

盡管國內(nèi)外很多學者在研究圖書自動存取機器人或類似的自動化設備，但截至目前，還沒有很成熟的技術和裝備在圖書館中得到應用。究其原因，圖書自動存取機器人是一種比較復雜的智能機器人系統(tǒng)，在智能化程度和經(jīng)濟性方面都需要很好地規(guī)劃和設計，才能保證其在傳統(tǒng)圖書館中的使用，使其走向?qū)嵱没＞C合分析現(xiàn)有文獻，筆者梳理出制約圖書自動存取機器人研發(fā)和應用的關鍵技術、影響因素及其解決措施。

2.1 圖書位置的定位識別技術

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的迅速發(fā)展，RFID技術的應用更加廣泛。RFID技術，俗稱電子標簽，是一種智能識別技術，它包括標簽（Tag）和讀寫器（Reader）。它是20世紀90年代開始興起的一種自動識別技術，利用射頻信號通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的。它的識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境，可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。條形碼存在儲存量小、靜態(tài)信息不足的缺陷，而RFID 標簽卻能彌補這一缺陷。例如，通常圖書館在圖書管理中使用一維條碼。一維條碼僅是對圖書進行標識，要想知道更多的信息，必須通過掃描條碼從圖書館管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫獲得其他屬性數(shù)據(jù)，在沒有數(shù)據(jù)庫和不便聯(lián)網(wǎng)的地方，一維條碼的使用受到較大的限制。目前，圖書館大多使用條形碼作為圖書的辨別碼，為了安全起見，還在圖書上加貼了磁條，以防圖書未經(jīng)許可被拿走；而RFID采用了EAS（Electronic Article Surveillance，電子商品防盜）技術，集流通與防盜于一身，可以免除借還書時的消磁及上磁工作，也不會出現(xiàn)磁條磁性弱化的問題。條形碼要求必須用掃描器直接對準條形碼進行掃描，中間不能有阻擋；而RFID標簽只要在RFID閱讀器的作用范圍內(nèi)就可以被讀取，并且RFID閱讀器一次可讀取數(shù)個RFID標簽（RFID可以在40CM的掃描范圍內(nèi)同時讀取20冊以內(nèi)的圖書）。另外，RFID利用無線電波感應只需橫向移動閱讀器讀取書架上的圖書即可查找到不在架上或者放錯的圖書，大大縮減了圖書館員盤點圖書的時間[9-10]。

1998年，新加坡國立圖書館成為世界上第一個應用此技術的圖書館。隨后，美國、加拿大、歐洲各國也相繼開始采用這項技術。2006年，集美大學誠毅學院圖書館成為國內(nèi)首家應用RFID技術的圖書館，深圳圖書館新館也已經(jīng)采用了RFID技術?？梢?，RFID技術在圖書館界有著廣闊的應用前景和發(fā)展?jié)摿11]。

RFID技術的不足之處在于，高頻標簽體積太大，隱蔽性極差，容易被撕掉而造成圖書丟失。另外，RFID技術被用于室內(nèi)機器人定位時，其最小定位誤差在2～3米[12]。對于書脊寬度僅為10mm左右的圖書來說，直接用RFID定位是不合適的。圖書的理想定位法是，采用視覺識別技術和RFID技術實現(xiàn)粗精相結(jié)合的聯(lián)合定位。首先用RFID技術快速定位待查圖書的所在區(qū)間，然后用機器視覺技術對標簽進行識別，從而對圖書進行定位。

用于圖書定位識別的常用方法是機器視覺技術。美國D J Lee等人利用機器視覺技術對圖書書脊進行識別[13]，將圖書的書脊圖像做成數(shù)據(jù)庫。當機器人要查找圖書時，機器人的視覺系統(tǒng)將一定范圍內(nèi)檢測到的書脊圖案提取出來，分別與數(shù)據(jù)庫中預存的圖書書脊圖像進行比對，從而確定待查圖書的空間位置。利用視覺方法檢測圖書位置的準確度受環(huán)境光照、書脊圖像清晰度等諸多因素的影響，該方法比較復雜。

2.2 移動式圖書自動存取機器人的自主導航

自主導航是移動式圖書自動存取機器人的關鍵技術，目前能夠?qū)崿F(xiàn)移動機器人自主導航的方法有很多種，如磁導引、激光導引和機器視覺導引等。在圖書館的室內(nèi)自主導航方式主要為地圖模型導航和人工路標導航。

地圖模型導航是將圖書館電子地圖預設在移動式圖書自動存取機器人的控制芯片內(nèi)，機器人確定圖書位置后，按照預設的固定行走路線移動。采用這種導航方式的機器人在每次執(zhí)行完任務后會自動返回到起始位置，等待下一次任務。機器人在每次執(zhí)行完任務后都會產(chǎn)生一定的誤差，所以在起始位置還需安裝傳感器，用于自動校正移動式圖書自動存取機器人起始位置的誤差。

人工路標導航是利用傳感器識別技術對人工設定的路標進行識別，從而確定機器人的行走路線，如日本大阪市立大學圖書館的搬運機器人就采用人工路標進行導航。采用這種導航方式的機器人可以識別埋設在圖書館地面上的導航線或路標，其按照路標進行循跡，實現(xiàn)自主導航。但是，人工路標導航方式受環(huán)境的影響較大，路標的污損、燈光的明暗和機器人的移動速度都會對導航的精度產(chǎn)生影響。

2.3 機器人末端執(zhí)行器的靈巧設計

機器人末端執(zhí)行器的設計主要有兩種方案，一種適用于圖書擺放有間隔的情況，另一種適用于圖書緊密連接的情況。對于圖書擺放有間隔的情況，末端執(zhí)行器只需要一個夾持器完成夾取、收回等動作即可。這種設計已經(jīng)在工業(yè)上得到廣泛應用，設計時只需稍加改動，就可以運用在圖書自動存取機器人上。

對于圖書緊密而有序排列的情況，末端執(zhí)行器的設計就復雜得多。圖書自動存取機器人在圖書上下架的過程中，不能對周邊的其他圖書產(chǎn)生影響。因此，末端執(zhí)行器應具有柔順性和靈巧性，如UJI圖書自動存取機器人就采用了7個關節(jié)的機械手，以增加機器人的空間靈活性。末端執(zhí)行器還應具有力感知能力和靈巧動作，以避免在抓取操作時發(fā)生剛性碰撞。在機械結(jié)構(gòu)上，末端執(zhí)行器除了需要有一個圖書夾持裝置外，還需要一個可以將圖書從緊密排列的書中撥出的機構(gòu)。另外，為了防止圖書傾斜、橫置，還需要在書架上安裝夾緊機構(gòu)。

為了識別圖書在書架上的位置，在機器人的末端執(zhí)行器還需要安裝具有環(huán)境感知能力的多傳感器，如視覺傳感器、位置檢測傳感器和條形碼或射頻閱讀器等。而機器人的末端執(zhí)行器的質(zhì)量和體積增大，將導致機器人的總體重量增加，運行性能下降。同時，機器人質(zhì)量和體積的增加勢必對移動式圖書自動存取機器人的行走性能、操作高度及整機穩(wěn)定性都提出更高的要求，導致圖書自動存取機器人的造價高，因此加裝多傳感器實用性不強。從目前實驗室開發(fā)的圖書自動存取機器人來看，大多機器人采用工業(yè)機械手，對于抓取質(zhì)量不大的單本圖書而言，只要對機械手進行重新設計，使其更加靈巧即可。

（4）移動機器人的結(jié)構(gòu)設計

用于圖書自動存取的移動機器人不能簡單照搬工業(yè)機器人，應針對具體應用情況對機器人的結(jié)構(gòu)進行重新設計。移動機器人的移動方式通常有輪式、履帶式和類人式等。相比履帶式和類人式的移動機構(gòu)而言，輪式移動機構(gòu)具有移動效率高、運動穩(wěn)定、控制簡單和成本低等特點，比較適合作為移動式圖書自動存取機器人的移動機構(gòu)。

移動式圖書自動存取機器人主要采用多自由度關節(jié)型機械手，有助于增加機器人的柔順性和靈巧性，但成本比較高、控制比較復雜。而采用直角坐標型的垂直升降裝置是比較理想的方式。在移動過程中，垂直升降結(jié)構(gòu)可以折疊，以降低機器人的重心，增加其運動的穩(wěn)定性。末端執(zhí)行器則可以采用三指結(jié)構(gòu)，兩個手指用于夾持圖書，一個手指用于撥動圖書。三指結(jié)構(gòu)可以使末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)更加簡潔、靈活。

移動式圖書自動存取機器人采用輪式驅(qū)動可以實現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑，增加其移動靈活性，適合于空間狹小的環(huán)境。在圖書上下架時，由于安裝在升降機構(gòu)支架上的末端執(zhí)行器和圖書有一定的重量，很容易造成機器人的晃動，甚至側(cè)翻。因此，移動機器人需要增加扶穩(wěn)裝置或者安裝陀螺儀。

總之，圖書自動存取機器人的本體結(jié)構(gòu)設計是非常重要的，直接影響到機器人的功能和實用性。

3 結(jié) 語

自動化和信息化的融合是未來圖書館的發(fā)展趨勢。智能機器人是實現(xiàn)圖書館自動化的重要裝備。圖書館自動存取圖書的智能機器人的關鍵技術是移動機器人的自主導航和能夠?qū)崿F(xiàn)圖書自動存取操作的靈巧機械手。圖書館移動機器人能夠在無人干預的情況下對圖書進行識別、搬運和上下架，不需要對書架進行改造，適應性廣。圖書自動存取機器人和圖書館的OPAC（Online Public Access Catalogue，聯(lián)機公共目錄查詢）系統(tǒng)以及物流配送系統(tǒng)相結(jié)合，可以實現(xiàn)遠程借閱和歸還圖書的功能，滿足老齡化社會的需求，是圖書館的一個重要發(fā)展趨勢，值得關注。

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