基于主從式結構的智能圖書整理機器人的設計

張 振 ，張 琪 ，王 新 ，郝建濤

（1.山東理工大學 山東 淄博 255000；2.哈爾濱工業(yè)大學 深圳研究生院，廣東 深圳 518055）

基于主從式結構的智能圖書整理機器人的設計

張 振1，張 琪1，王 新1，郝建濤2

（1.山東理工大學 山東 淄博 255000；2.哈爾濱工業(yè)大學 深圳研究生院，廣東 深圳 518055）

本文介紹了基于主從式結構的智能圖書整理機器人的設計與實現(xiàn)，該系統(tǒng)由移動車體、機械臂和圖書識別處理模塊三部分組成。智能圖書整理機器人控制系統(tǒng)采用主從式單片機的控制，由信息采集處理模塊、機械臂控制模塊和主控模塊組成。它可以實現(xiàn)對圖書的識別、取放、整理等工作。該系統(tǒng)設計簡單、執(zhí)行效率高、減少了管理人員的勞動強度。當今世界是信息化時代，圖書整理的智能化必然會發(fā)展成為一大產(chǎn)業(yè)，并帶動其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此該系統(tǒng)擁有廣闊的發(fā)展空間。

智能圖書整理機器人；圖像處理；移動機械臂；主從結構

當代社會是一個智能化、人性化的社會，處處體現(xiàn)了科技所帶來的便利和無窮的魅力。根據(jù)我們的研究和調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國中等以上規(guī)模的圖書館占有相當大的比例，圖書產(chǎn)業(yè)是一個有規(guī)模、有實力、有影響力的信息產(chǎn)業(yè)。國家圖書館、省( 市) 級圖書館、高校圖書館、各部門專業(yè)圖書館構成了圖書館事業(yè)的主體, 據(jù)不完全統(tǒng)計藏有書約10 億余冊( 件) , 每年接待讀者約數(shù)千萬( 人) 次。但是,我們的圖書處理手段還停留在傳統(tǒng)的人工整理階段,圖書館還是采用人抱、車推和手工等方式進行上架、下架、整理、清點、記錄等工作。人工整理圖書要求工作人員首先要記住每一類圖書的存放區(qū)域，其次要找到要存放圖書的準確位置，才能完成圖書的存放，工作量很大，而且效率很低。所以, 實現(xiàn)圖書借閱、上架、下架、清點、整理、傳送的機械化、自動化是圖書館自動化的重要組成部分。而在圖書借閱、上架、下架、清點、整理、傳送上采用機器人的處理方式是今后發(fā)展的一大趨勢。

本項目研發(fā)的智能型圖書整理機器人正是在這種背景下應運而生的，本智能型圖書整理機器人是可以進行自動化識別并實現(xiàn)搬運作業(yè)的小型機器人。它的特點是可通過編程來完成機器人的各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了機器人的智能型和人性化。它能靈活地實現(xiàn)圖書的取放和整理工作，具有效率高，體積小巧、實用等特點，在圖書館的日常管理中有很大的應用空間。

1 系統(tǒng)整體方案

如圖1所示，智能圖書整理機器人整體結構采用主從式，主要有移動車體、機械臂和圖書識別處理模塊組成[1-2]。主控機采用技術成熟的AT89C51單片機進行控制，主要完成對從機的控制及機械臂的控制來完成取放任務。從機采用雙從機結構設計，其中采用infineonXC164CS單片機進行傳感器信息的處理及驅動機器人按指定路徑掃描圖書，而圖書識別模塊的信息處理由MC9S12XS128單片機完成。采用這種結構，大大降低了對主機性能的要求，而且實現(xiàn)了對信息準確的獲取與快速處理，使整體系統(tǒng)運作更高效。

圖1 系統(tǒng)整體結構圖Fig. 1 Overall system structure diagram

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控電路設計

本系統(tǒng)采用AT89C51作為主控芯片，其主要特性為：4 kB內(nèi)部Flash ROM，128B內(nèi)部RAM，32根I/O線，2個16位定時器/計數(shù)器，1個可編程全雙工串行通訊口，最高工作頻率24 MHz[3]。如圖2所示為主控系統(tǒng)的電路原理圖，為實現(xiàn)主控芯片對于五自由度移動機械臂的控制，外接兩片8253可編程定時器/計數(shù)器即可方便的實現(xiàn)對五自由度機械臂的控制。本系統(tǒng)的優(yōu)點是處理速度快、性價比高、資源豐富可擴展，并且工作穩(wěn)定可靠[4]。

圖2 主控電路設計Fig. 2 Main control circuit design

2.2 圖書識別模塊設計

圖書識別模塊分為圖像采集模塊和圖像處理模塊，圖像采集是基于Omnivision公司的CMOS圖像傳感器---OV7620的方案設計，它支持連續(xù)和隔行兩種掃描方式，VGA與QVGA兩種圖像格式；最高像素為664×492，幀速率為30 fps；數(shù)據(jù)格式包括YUV、YCrCb、RGB 3種，能夠滿足一般圖像采集系統(tǒng)的要求[5]。其電路圖如圖3所示。

圖3 圖像采集電路Fig. 3 Image acquisition circuit

基于現(xiàn)在圖書的種類繁雜，且無統(tǒng)一的電子識別標準，本文所研發(fā)的智能型圖書整理機器人對于的圖書識別暫定采用指定模型圖書，即長15 cm，高20 cm，寬5 cm的規(guī)則長方體。不同的圖書用不同顏色的長方體代替，經(jīng)過實驗調(diào)試，本機器人可以識別的圖書顏色種類可達數(shù)10種。

圖像處理芯片采用MC9S12XS128，其可實現(xiàn)對攝像頭采集的信息進行分析處理確定目標圖書，并將處理后的信號通過串口通信送于主控系統(tǒng)，用于發(fā)現(xiàn)目標圖書或亂架圖書，主控系統(tǒng)根據(jù)所送信號實現(xiàn)對圖書的定位和取放。

2.3 驅動電路設計

驅動系統(tǒng)和傳感器定位系統(tǒng)電路主要為XC164CS單片機模塊，XC164CS電路板控制電機和傳感器的原理圖如圖4所示。電源轉換模塊采用LM2575和電阻、電容濾波將24 V的電壓轉成5 V電壓，給單片機模塊和驅動器公共端供電，通信模塊采用ADM2587芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出，電源轉換模塊和通信模塊如圖5、6所示。直流電機用一個直流電機驅動器，芯片是LMD18200。該芯片的優(yōu)點是轉速可調(diào)，抗干擾能力強；具有續(xù)流保護，PWM脈寬平滑調(diào)速，可實現(xiàn)正反轉。直流電機驅動器需要3個信號，從而控制直流電機的轉速方向剎車。直流電機的轉速由PWM控制，通過這種可調(diào)脈寬來控制直流

圖4 XC164CS控制電機和傳感器原理圖Fig. 4 XC164CS motor control and sensor principle diagram

電機的速度，PWM信號由infineonXC164CS芯片生成。

圖5 電源轉換模塊設計Fig. 5 Design of power conversion module

圖6 通信模塊設計Fig. 6 Design of communication module

3 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

控制系統(tǒng)設計的整體思路如圖7，傳感器實時采集外部環(huán)境信息，通過對不同傳感器采集信息的融合完成對機器人的定位，根據(jù)程序要求確定任務并進行路徑規(guī)劃，機器人在指定路徑進行掃描，確定目標圖書后，主控單片機控制移動機械臂完成對圖書的拿取，根據(jù)要求放入規(guī)定位置完成圖書借閱或整理。

本設計采用移動機械臂系統(tǒng)，是將機械臂固定在移動車體上構成的一類移動機器人。這種結構使機械臂擁有幾乎無限大的工作空間和高度的運動冗余性，并同時具有移動和操作功能，這使它優(yōu)于移動機器人和傳統(tǒng)的機械臂[6]。

圖7 整體設計思路Fig. 7 Overall design idea

AT89C51主控芯片控制具體流程圖如圖8所示，圖像處理流程圖如圖9所示。開始，首先進行機器人的初始化，控制從機啟動并初始化，隨后機器人按程序設定進行圖書掃描，如果搜索到目標圖書，由從機向主機申請中斷請求，進入中斷程序由主機控制舵機完成對圖書的拿取工作，判斷是否是亂架圖書或待借圖書，如果是亂架圖書，將圖書放到正確位置；如果是待借圖書，放至取書處，完成一次借書任務。

實物樣機的研發(fā)，首先用solidworks軟件構建機器人模型，并進行各個結構參數(shù)的優(yōu)化，確定好參數(shù)后進行樣機的試制，最后是機器人的調(diào)試，完成預定任務。三維模型和樣機照片如圖10所示。

圖8 主控芯片控制流程圖Fig. 8 Main control chip control flow chart

圖9 圖像處理模塊流程圖Fig. 9 Image processing module flow chart

4 結 論

文中給出了基于主從式單片機控制的智能圖書整理機器人的硬件和軟件設計方法，該方法成本低，易于實現(xiàn)。經(jīng)過反復調(diào)試和實驗，機器人能夠準確識別圖書，完成對圖書的取放和整理。該系統(tǒng)還可以加入數(shù)據(jù)庫技術和基于足球機器人平臺的攝像定位技術，在信息化時代的今天有較大的發(fā)展

圖10 整體結構圖Fig. 10 The overall structure diagram

前景。

[1] 李雷.基于MCS-51控制的軍用自動倉儲搬運機器人設計實現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真技術,2011,7(2):100-103.

LI Lei. The military automatic warehouse handling robot design based on MCS-51[J]. System simulation technology,2011,7(2):100-103.

[2] 靳大為,輪式物料搬運機器人系統(tǒng)開發(fā)研究[D].北京:北京交通大學,2006.

[3] 張毅剛.MCS-51單片機應用設計[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,1997.

[4] 郭天祥.新概念51單片機C語言教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,1999.

[5] 李剛，陳世利，周鑫玲. 飛思卡爾8位單片機實用教程. [M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[6] 閆超勤.智能移動機械臂的控制研究[D].西安:西安電子科技大學,2003.

Design of book sorting robots based on master-slave structure

ZHANG Zhen1, ZHANG Qi1, WANG Xin1, HAO Jian-tao2
（1.Shandong University of Technology, Zibo 255000, China; 2.Shenzhen Graduate School of Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518055, China）

This paper introduces the design and implementation of the intelligent book sorting robot based on masterslave structure. The system consists of three parts: the mobile body, the mechanical arm and the book recognition processing module. The intelligent book sorting robot system adopts the master-slave SCM system. It is concluded that the information acquisition and processing module, the manipulated control module and main control module. It can achieve the work about the recognition, placing and sorting of the book. And so on. The design of the system is simple,high efficiency, and it can reduce labor intensity of managers. The world today is the era of information, intelligent book arrangements will become a big industry, and promote the development of other industries, so the system has broad developing space.

book sorting robot; image processing; mobile manipulator; master-slave structure

TN710

A

1674-6236(2014)03-0120-04

2013–06–14 稿件編號：201306092

張 振(1991—)，男，山東齊河人。研究方向：測控技術及儀器，智能機器人。