城市街區(qū)自助圖書館機械手運動規(guī)劃與力控制系統(tǒng)設(shè)計

周占明，吳昌林，王玉金，余 旭

（華中科技大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

城市街區(qū)自助圖書館機械手運動規(guī)劃與力控制系統(tǒng)設(shè)計

周占明，吳昌林，王玉金，余 旭

（華中科技大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

城市街區(qū)自助圖書館系統(tǒng)是在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上興起的文化建設(shè)項目，是一種新型的圖書館發(fā)展模式。自助圖書館機械手作為圖書傳輸?shù)膱?zhí)行部件，具有借書傳輸、還書傳輸、自動分揀的功能，是自助服務(wù)效率和安全傳輸?shù)年P(guān)鍵。論文首先介紹了機械手圖書傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方式和機械手圖書夾持裝置的結(jié)構(gòu)，然后對機械手進行了運動規(guī)劃。在此基礎(chǔ)上，基于單片機、運動控制卡和PC機對機械手控制系統(tǒng)進行了設(shè)計。市場反饋表明該機械手控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，很大程度上提高了圖書傳輸?shù)陌踩院妥灾?wù)的效率。

自助圖書館；機械手；運動規(guī)劃；力控制；單片機

0 引言

城市街區(qū)自助圖書館系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在圖書館領(lǐng)域的拓展，是集數(shù)字化、人性化和智能化為一體的新型圖書館發(fā)展模式，是現(xiàn)有公眾圖書館服務(wù)的延伸，實現(xiàn)了傳統(tǒng)圖書館與數(shù)字圖書館的完美結(jié)合和質(zhì)的飛躍[1]。自助圖書館系統(tǒng)由自助圖書館服務(wù)機、物流管理系統(tǒng)、中心服務(wù)系統(tǒng)、圖書館監(jiān)控系統(tǒng)、資源管理系統(tǒng)等部分構(gòu)成，其中自助圖書館服務(wù)機是自助圖書館系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)，也是其核心組成部分[2]。

射頻識別技術(shù)（RFID）作為自動識別技術(shù)的一大分支，是自助圖書館系統(tǒng)的核心技術(shù)，它通過無線射頻方式獲得圖書的相關(guān)數(shù)據(jù)，并對圖書加以識別，且無需與圖書直接接觸即可完成信息的輸入與處理，能夠?qū)崟r準確地采集和處理信息[3]。正是由于RFID的應(yīng)用使得自助圖書館系統(tǒng)成為一種典型的人機交互系統(tǒng)，實現(xiàn)了自助辦證、自助借書、自助還書、自助預(yù)約、自助查詢等服務(wù)功能的融合[4]。

取書機械手系統(tǒng)作為自助服務(wù)的執(zhí)行子系統(tǒng)，具有借書傳輸、還書傳輸、自動分揀的功能，是服務(wù)效率和圖書安全傳輸?shù)年P(guān)鍵因素。機械手運動規(guī)劃及其系統(tǒng)控制策略對提高服務(wù)效率和傳輸安全系數(shù)起著至關(guān)重要的作用。機械手定位速度、精度以及傳輸安全性是機械手控制的三大性能指標[5]。因此，對取書機械手系統(tǒng)進行研究具有重要的意義和應(yīng)用價值。

1 機械手運動原理

自助圖書館服務(wù)機在傳統(tǒng)圖書館書架的基礎(chǔ)上添加E字形隔書板，使圖書兩兩隔開，方便U形結(jié)構(gòu)機械手末端夾持裝置能夠快速準確地插入E形隔書板卡槽內(nèi)抓取指定圖書。機械手末端夾持裝置是機械手的末端執(zhí)行器，末端執(zhí)行器在三維空間的運動使得圖書傳送功能得以實現(xiàn)。

圖1 所示為機械手的三維空間運動示意圖，其中XZ表示自助圖書館上導(dǎo)軌平面；X軸表示書架的長度方向；Y軸表示書架寬度方向；Z軸表示書架高度方向；W軸為機械手末端執(zhí)行器的夾持運動方向，該方向與X軸平行，夾持裝置在W軸向的運動提供圖書夾緊力。機械手具有4個移動關(guān)節(jié)，X軸、Y軸和Z軸方向的移動實現(xiàn)末端執(zhí)行器的空間定位；W軸方向的運動提供圖書夾緊力，是圖書安全輸送的關(guān)鍵。

圖1 機械手運動示意圖Fig.1 The schematic diagram of manipulator movement

2 夾持裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖書在傳輸過程中應(yīng)當避免滑落的情況發(fā)生，需要在W軸方向上提供適當?shù)恼龎毫?，以使圖書與夾持件之間的摩擦力與圖書重力之間達到靜力平衡。因此，對執(zhí)行器結(jié)構(gòu)顯得尤為重要。圖2所示為本文所設(shè)計的末端執(zhí)行器的運動原理，電機驅(qū)動凸輪轉(zhuǎn)動使安裝在凸輪卡槽內(nèi)的套筒和夾板連接銷沿槽運動，同時，限位槽約束夾板連接銷只能在槽的方向上作直線移動，而套筒還具有垂直于凸輪平面的旋轉(zhuǎn)運動，以減小夾板連接銷與凸輪槽間的滑動摩擦。這樣，凸輪轉(zhuǎn)動就能使固定在夾板連接銷上的夾板產(chǎn)生直線運動，實現(xiàn)抓取圖書的目的。

圖2 機械手夾持裝置運動原理Fig.2 The motion principle of manipulator holding device

圖3 所示為末端夾持器的詳細結(jié)構(gòu)圖。電機輸出軸與傳動軸通過螺釘連接，傳動軸上固定帶內(nèi)槽的凸輪盤，槽內(nèi)安裝穿有夾板連接銷的套筒，限位槽限制夾板連接銷只能在沿上板蓋和下板蓋的限位槽方向作直線運動，所以與夾板連接銷相連接的夾板只能作直線移動而不能旋轉(zhuǎn)，即機械手夾板的直線運動。

電機的旋轉(zhuǎn)運動在凸輪內(nèi)槽和限位槽的作用下轉(zhuǎn)換為左右夾板的直線運動，實現(xiàn)機械手圖書夾持裝置的夾緊和松開。夾書時，機械手右夾板上的壓力傳感器輸出壓力值信號通過單片機串口通訊傳輸至PC機，PC機根據(jù)壓力設(shè)定值和反饋值控制電動機運轉(zhuǎn)，達到穩(wěn)定夾取圖書的效果。在機械手夾板上如圖3所示的三個位置安裝工業(yè)橡皮，增加摩擦系數(shù)，且當圖書重心置于三點所構(gòu)成的三角形內(nèi)時，能夠防止夾書時圖書發(fā)生翻轉(zhuǎn)，有利于增加圖書傳輸?shù)陌踩浴?/p>

圖3 機械手末端夾持裝置結(jié)構(gòu)Fig.3 The holding device structure of manipulator terminal parts

3 機械手運動規(guī)劃

機械手在X、Y、Z軸方向的移動實現(xiàn)機械手末端夾持裝置的空間定位，W軸方向的移動實現(xiàn)圖書抓取功能。當讀者借閱圖書時，自助圖書館數(shù)據(jù)庫為機械手控制系統(tǒng)提供圖書位置信息（x,y,z），而沒有W軸向移動距離的信息。控制系統(tǒng)首先根據(jù)給定的目標位置信息（x,y, z）對機械手進行運動規(guī)劃[6]，使末端夾持裝置運動到目標位置；然后控制W軸向移動，當夾緊力能夠安全抓取指定圖書時，W軸向停止運動；最后機械手逆向運動將圖書送到指定位置。

控制系統(tǒng)需要對（x,y,z）進行運動規(guī)劃，目的是使機械手準確快速到達指定位置，并且機械手在移動過程中不能與其他圖書或者書架接觸。因此，本文采用的機械手避障規(guī)劃策略為：機械手在X、Y方向同時啟動，同時到達目標位置；當其在X、Y方向到達指定位置后Z軸開始啟動，數(shù)學(xué)表達式為：

其中，tx0—X軸向運動的初始時刻；tx1—X軸向運動結(jié)束時刻，其它軸向運動表示方法相同。

本文采用正弦曲線對機械手運動加速度進行規(guī)劃，該運動規(guī)劃可以實現(xiàn)機械手無沖擊定位，運動規(guī)劃的軌跡方程為：

其中，s—機械手在X、Y、Z三個軸方向位移變量的其中之一；s0—機械手初始位置與目標之間在該軸方向上的距離；ts—機械手在相應(yīng)軸上達到指定位置所需時間。通過規(guī)劃公式（2），機械手可以無沖擊到達指定目標位置，通過調(diào)整ts的大小就能夠改變機械手達到指定位置所需時間[7]。

4 夾持力控制系統(tǒng)設(shè)計

機械手末端夾持裝置左右夾板在W軸方向移動夾持圖書，位移較小。W軸方向運動提供夾持力，應(yīng)當防止夾持力過小造成書本脫落以及夾持力過大造成圖書損壞，因此夾持裝置在W軸上應(yīng)該采用力控制方式[8]。在抓取過程中，可將書本近似視為剛體，圖書不發(fā)生變形。當夾持裝置接觸圖書時，安裝在夾板上的壓力傳感器實時測量所受壓力，壓力信號通過AD電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并通過串口通訊傳遞給上位機。

壓力傳感器在機械手夾板與圖書接觸時開始傳遞壓力信號，上位機根據(jù)初始壓力值估算圖書厚度d以及圖書質(zhì)量m，從而計算出圖書安全傳輸所需夾持力。如圖3所示，右夾板上具有合頁軸，該合頁軸原點可看作是一杠杠的支點。

圖書厚度公式可以由以下公式近似得到：

式中，F(xiàn)e—壓力傳感器所受壓力值；Fm—圖書對夾板的壓力；l—兩壓力之間的近似線性比，d—圖書厚度；D0—左右夾板間初始間距；sd—壓力傳感器有正壓力值輸出時左右夾板相對位移。根據(jù)以上公式可以近似得到所需夾緊力：

其中，md—單位厚度圖書質(zhì)量；μ—夾板與圖書之間的摩擦系數(shù)。通過計算得到機械手所需夾緊力的近似值，并依此設(shè)定機械手夾持力參考值，將壓力傳感器信號反饋到輸入端，進而進行力閉環(huán)控制。

4.1 力控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

夾持力控制系統(tǒng)以基于PC機和運動控制卡、單片機為核心，以交流伺服驅(qū)動器、交流伺服電機、壓力傳感器等構(gòu)成一個開放式硬件結(jié)構(gòu)。整個機械手夾持系統(tǒng)由末端執(zhí)行器本體、伺服電機、伺服電機驅(qū)動器、壓力傳感器和放大器、單片機系統(tǒng)、運動控制卡、工控機、穩(wěn)壓電源（DC+12V）等組成。當夾取圖書時，壓力傳感器將受到的壓力轉(zhuǎn)變成電壓信號，經(jīng)信號放大后被采集并轉(zhuǎn)換成實際壓力，根據(jù)設(shè)定壓力值和反饋壓力值的偏差，經(jīng)控制算法后，由運動控制卡發(fā)送脈沖給驅(qū)動器控制伺服電機轉(zhuǎn)動，直到夾緊力達到所要求的設(shè)定范圍內(nèi)。

單片機壓力采樣電路由CPU（AT89S52）、串行接口電路 （MAX232）、信號放大電路、光電隔離電路、A/D轉(zhuǎn)換電路（HX711）等組成。A/D轉(zhuǎn)換芯片為HX711芯片，具有24位的轉(zhuǎn)換精度，滿足使用精度要求。HX711芯片內(nèi)置增益控制，可對傳感器輸出的毫伏級電壓信號進行調(diào)理轉(zhuǎn)換，性能穩(wěn)定，同時可通過2線串行方式與單片機通信。單片機使用AT89S52芯片，系統(tǒng)時鐘頻率為11.0592MHz，單片機讀取經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的壓力數(shù)據(jù)，通過串口通訊將數(shù)據(jù)傳遞到上位機即PC機，單片機電路原理圖如圖4所示。

圖4 單片機電路原理圖Fig.4 The circuit schematic diagram of single chip microcomputer

4.2 力控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件包括下位機軟件和上位機軟件。上位機軟件為自助圖書館服務(wù)機系統(tǒng)控制軟件，采用模塊化設(shè)計，包括面向讀者的窗口顯示模塊、運動控制模塊、數(shù)據(jù)庫存儲模塊、網(wǎng)絡(luò)終端通信模塊等。

機械手末端夾持裝置的控制函數(shù)為運動控制模塊的子函數(shù)，實現(xiàn)單片機和PC機的實時串口通訊以及驅(qū)動電機的運動控制。PC機接收通過單片機采樣得到的壓力值，通過運動控制卡控制伺服電機轉(zhuǎn)動。上位機程序控制流程如圖5（a）所示。

下位機軟件同樣采用模塊化設(shè)計，包括主程序模塊、串口通訊程序模塊、A/D采樣程序模塊及滑動平均濾波處理模塊等。下位機軟件采樣得到壓力傳感器的壓力信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換及濾波處理后將數(shù)據(jù)傳遞至PC機，構(gòu)成上位機對驅(qū)動電機的閉環(huán)控制，單片機采樣程序流程圖如圖5（b）所示。

采樣數(shù)據(jù)的準確性制約著夾取圖書的可靠性，是安全夾取圖書的關(guān)鍵。為避免干擾對采樣數(shù)據(jù)造成的影響，在單片機程序中采用滑動平均濾波算法對采樣數(shù)據(jù)進行處理，保證最終數(shù)據(jù)的合理可靠[9]。

式中：fk—滑動平均濾波后數(shù)據(jù)；yk—原始數(shù)據(jù)；ωi—加權(quán)系數(shù)，為小于m的任一正整數(shù)，且p+q+m=1。

圖5 上位機程序控制與單片機采樣流程圖Fig.5 The flow chart of host computer procedure and MCU sampling

5 結(jié)論

本文在自助圖書館機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，在機械手避障的前提下對機械手的定位采用正弦加速度進行了運動規(guī)劃，以實現(xiàn)機械手的無沖擊定位，提高定位精度；通過調(diào)整正弦加速度的參數(shù)，可以提高機械手的運行效率。機械手末端執(zhí)行器采用力閉環(huán)控制，壓力傳感器反饋信號使用單片機采樣，采用滑動平均濾波算法保證了數(shù)據(jù)的可靠性，能有效避免因正壓力過小造成的圖書滑落或因正壓力過大造成的圖書損壞。本文所設(shè)計的機械手結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)在產(chǎn)品中得到了良好運用，產(chǎn)品運行穩(wěn)定，自助服務(wù)效率得到了提高，本文的研究具有較大的實用價值和理論意義。

[1]Huang Y H,Li G Y.Descriptive models for internet of things[A]. International Conference on Intelligent Control and Information Processing[C].Harbin,China:IEEE Press,2010.

[2]陳淑珍.基于Web2.0的高校圖書館在線信息素質(zhì)教育研究[J].圖書與情報，2011，3.

[3]Welbourne E,et al.Building the internet of things using RFID:The RFID ecosystem experience[J].IEEE Internet Computing,2009，13.

[4]彭奇志，嚴而清，吳信嵐.我國高校在線信息素質(zhì)教育的分析研究[J].圖書與情報，2009，1.

[5]熊有倫，尹周平，熊蔡華，等.機器人操作[M].湖北:湖北科學(xué)出版社,2002.

[6]Murray R M,Li Zexiang,Sastry SS；徐衛(wèi)良，錢瑞明（譯）.機器人操作的數(shù)學(xué)導(dǎo)論[M].北京:機械工業(yè)出版社，1998.

[7]Fouad F,Khalil,Pierre Payeur.Robotic interaction with deformable objects under vision and tactile guidance-a review[J].ROSE2007-IEEE International Workshop on Robotic and Sensors Environments,2007.

[8]H.Lin,S.J.Bull,P.M.Taylor.Simulation of the deformation and stress distribution within a flexible materials pressed by a pinch gripper[J]. Journal of Materials Processing Technology,2005,169,357-363.

[9]林洪樺.動態(tài)測試數(shù)據(jù)處理[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1995.

Manipulator Motion Plan and Force Control System Design of a City Blocks Self-Service Library

ZHOU Zhan-Ming，WU Chang-Lin，WANG Yu-Jin，YU Xu
（School of Mechanical Science and Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan Hubei 430074,China）

City blocks self-service library system is a cultural construction project and a new type of library develop-ment model based on the rising of things Internet.The self-service library manipulator,with the ability of book transmission and automatic sorting,is the execution part of book transmission,and it's also the key to self-service efficiency and the safety of book transmission.Firstly,the implementation of book transmission by manipulator is introduced in this paper,and then the structure of book clamping device is designed in detail,and then the motion planning of manipulator is constituted.Based on the above,a manipulator control system based on single chip microcomputer, motion control card and computer is carried out.This manipulator control system is stable,and also enhances book transmission safety and self-service efficiency according to the market feedback.

self-service library；manipulator；motion planning；force controlling；single-chip microcomputer

TP39

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.01.032

1002－6673（2014）01－086－04

2013－11－27

周占明 （1989-），男，河南駐馬店人，華中科技大學(xué)碩士研究生，主要研究方向：機電一體化產(chǎn)品設(shè)計；吳昌林（1951-），男，湖北武漢人，華中科技大學(xué)教授，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向：機電一體化設(shè)備及曲面數(shù)控拋光技術(shù)。