圖書館智能化文獻自動拾取機器人技術(shù)研究

文 / 朱曉霞

圖書館智能化文獻自動拾取機器人技術(shù)研究

文 / 朱曉霞

圖書館智能化文獻自動拾取機器人是應(yīng)用于圖書館文獻資源典藏管理和讀者服務(wù)流通工作的重要智能化技術(shù)。文章分析了圖書館智能化文獻自動拾取機器人的現(xiàn)狀及存在問題，探討了圖書館智能化文獻自動拾取機器人的移動平臺設(shè)計、機械拾取手臂設(shè)計、機械手夾持器設(shè)計以及機械手整體設(shè)計案例，力圖為全面了解圖書館智能化機器人技術(shù)提供參考。

圖書館；智能化；智能機器人；文獻自動拾取機器人

隨著以智能化為標(biāo)志的工業(yè)4.0時代和圖書館4.0時代的到來，圖書館智能化機器人技術(shù)逐漸被引入到圖書館工作中，為圖書館日益繁忙的工作提供了高效快捷的解決方法。目前，在圖書館從事服務(wù)的智能化機器人有多種類型，采用了多項關(guān)鍵性技術(shù)，而智能化機器人的文獻自動拾取技術(shù)是其中重要的一項。

一、圖書館智能化文獻自動拾取機器人技術(shù)的現(xiàn)存缺陷

圖書館智能化文獻自動拾取機器人技術(shù)的重點，是要讓機器人模仿圖書館工作人員對于圖書館文獻的自動拾取[1]。從圖書館智能化文獻自動拾取機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度講，拾取技術(shù)主要是由三部分的設(shè)計構(gòu)成，即圖書館智能化文獻自動拾取機器人移動平臺、文獻自動拾取機械手臂和文獻自動拾取機械手夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。但是，目前大多數(shù)投入使用的圖書館文獻自動拾取機器人普遍存在的問題是：機器人的機械手達不到圖書館文獻自動拾取精確度的專業(yè)需求，無法用一只機械手在密集的圖書館書庫和書架的文獻之間對文獻自主進行上架和下架的拾取操作；圖書館智能化文獻自動拾取機器人的設(shè)計尺寸，除了少數(shù)可以達到1.8米，與真人的身高相似以外[2]，大多數(shù)相對較為矮小，難以上架和下架高層書架上的文獻；常用的圖書館智能化文獻自動拾取機器人為四輪設(shè)計的行走機構(gòu)，在圖書館相對狹窄的書架空間中改變和維持姿態(tài)較為困難。由于文獻自動拾取機器人與書架之間的相對位置和姿態(tài)不容易控制，在設(shè)計時往往需要采用矩陣法來建立機器人移動平臺轉(zhuǎn)臺各個支路之間的位置和姿態(tài)變換關(guān)系。

二、圖書館智能化文獻自動拾取機器人技術(shù)的設(shè)計研究

（一）移動平臺的設(shè)計

根據(jù)圖書館智能化文獻自動拾取機器人實現(xiàn)運動方式的不同類型，機器人的移動方式通?？梢苑譃檐囕喪?、滑軌式、履帶式和多足式等。從目前國內(nèi)外多個圖書館的實際應(yīng)用效果來看，車輪式結(jié)構(gòu)具有運動平穩(wěn)、移動快速、方向靈活、操作簡單、適用于平坦地面等多種優(yōu)勢，更加適合應(yīng)用于同層范圍內(nèi)的圖書館智能化文獻自動拾取機器人中。而滑軌式結(jié)構(gòu)具有能夠在圖書館不同樓層之間快速運移的特點，更加適合應(yīng)用于不同樓層范圍內(nèi)的圖書館智能化文獻自動拾取機器人中。移動平臺的車輪式結(jié)構(gòu)，依據(jù)車輪的數(shù)量多少，可分類為2—4輪和多輪的設(shè)計。車輪布局設(shè)計主要的考慮因素是平衡性、穩(wěn)定性、靈活性和靜音性。一般3—4輪由于其機動性和穩(wěn)定性較好，所以成為優(yōu)先選擇的設(shè)計方案[3]。此外，為了保證圖書館安靜的環(huán)境，防止文獻自動拾取機器人移動平臺在運動中產(chǎn)生噪音，在機器人移動平臺的車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計中保持良好的靜音性，車輪的材質(zhì)適宜選用具有減震效果的橡膠輪，而不宜采用容易發(fā)出噪音的塑料輪。

（二）移動平臺的不同類型

在圖書館智能化文獻自動拾取機器人應(yīng)用的初級階段，可以采用機器人和人工相結(jié)合的半自動方式來進行圖書館文獻的拾取工作。在這種情況下，文獻拾取機器人移動平臺往往會被設(shè)計為智能書車的形式，后續(xù)的文獻自動拾取的機械手臂和機械手夾持器等工作，則可以由圖書館工作人員代為完成。如由南京大學(xué)聯(lián)合其他機構(gòu)研發(fā)的，已經(jīng)在南京大學(xué)仙林校區(qū)杜廈圖書館外文閱覽室投入使用的圖書館機器人智能書車就是如此。它有一米多高，外形很像一個小書車，工作時會默默地、悄無聲息地靈活行走在圖書館的各排書架之間[4]。而德國洪堡大學(xué)科學(xué)圖書館的智能化文獻自動拾取機器人移動平臺的基本功能是在圖書館總服務(wù)臺與各功能區(qū)之間自動傳送需要上架和分檢的文獻，從而實現(xiàn)圖書館智能化文獻自動拾取機器人的全部功能。

（二）機械拾取手臂的設(shè)計

圖書館智能化自動拾取機器人機械拾取手臂的設(shè)計，主要有直角坐標(biāo)垂直升降手臂和多自由度關(guān)節(jié)型機械手臂兩種。直角坐標(biāo)垂直升降手臂的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，不需要太多復(fù)雜的運動學(xué)計算，但是它的缺點是操作空間往往會受限。多自由度關(guān)節(jié)型機械手臂可以充分利用相對成熟的工業(yè)機器人設(shè)計，使其在圖書館工作空間范圍和文獻拾取的定位精確性方面都得到大幅度提高[5]。1965年德國人斯圖爾特發(fā)明了六自由度并聯(lián)機構(gòu)。1978年澳大利亞著名機構(gòu)學(xué)的亨特教授提出，可以將并聯(lián)機構(gòu)用于機器人的機械手臂設(shè)計中。并聯(lián)機構(gòu)與串聯(lián)機構(gòu)相比，在結(jié)構(gòu)方面具有剛度大和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點，在定位精度方面具有重復(fù)定位精度高和微動精度高的特點，在承載負(fù)荷方面具有承載能力大和運動負(fù)荷小的特點，在速度和動態(tài)性方面具有反應(yīng)速度快和動態(tài)性能好的特點，加之并聯(lián)機構(gòu)擅長反解的特性更適合機器人的實時在線計算，所以采用并聯(lián)機構(gòu)的機器人手臂設(shè)計往往用于精密緊湊的應(yīng)用場合。并聯(lián)機器人手臂具有快速準(zhǔn)確拾取物體的顯著特點，可以被用于圖書館需要進行精確地自動拾取文獻的圖書館智能化文獻自動拾取機器人上。

（三）機械手夾持器的設(shè)計

圖書館智能化文獻自動拾取機器人機械手夾持器的設(shè)計，要根據(jù)圖書館文獻的排架方式來確定。圖書館智能化機器人在拾取文獻時一般會遇到三種文獻的排架情況：單冊定位排架、疏松型排架和緊密型排架。單冊定位排架以每冊書為一個單位設(shè)計的排架存放空間，難以適應(yīng)一般圖書館大量文獻的書架排架方式，目前主要應(yīng)用于24小時自助圖書館的少量文獻排架。在這種排架方式的情況下，由于文獻自動拾取機器人機械手夾持器的操作，僅僅是針對固定架格中的單冊文獻，其拾取操作最為簡單。疏松型排架的文獻，文獻自動拾取機器人機械手夾持器的操作相對簡單，這是因為當(dāng)排架文獻之間較為疏松時，更便于機械手夾持器的靈活進退。而對于目前大多數(shù)圖書館采用的緊密型文獻排架方式而言，文獻自動拾取機器人機械手夾持器的操作要復(fù)雜得多。在設(shè)計中需要在夾持器的末端增加具有智能化文獻自動拾取力覺感知系統(tǒng)的執(zhí)行器來感知和適應(yīng)目前的圖書館緊密型文獻排架方式，以提高機械手夾持器自動拾取文獻的力度和靈活性。

三、圖書館智能化文獻自動拾取機器人機械手整體設(shè)計案例

（一）機械手的特性

圖書館文獻自動拾取機器人機械手的工作區(qū)域范圍，是由電機的兩方面因素綜合決定的，即電機的旋轉(zhuǎn)運動軌跡和絲杠的直線運動軌跡。因此，在設(shè)計時要同時選用由直線移動副和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動副執(zhí)行機構(gòu)所構(gòu)成的復(fù)合運動副結(jié)構(gòu)。直線移動副是由一個直流電機配合一個絲杠來實現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動副可由三個直流電機實現(xiàn)。文獻自動拾取機器人機械手的工作部分，一般是由電源部分、控制器部分、機械臂部分以及傳感器云臺共同組成。其中機械臂是由固定基座、機械大臂、機械小臂、機械手及其手腕關(guān)節(jié)等部分組成，顯然六自由度比四自由度的機械臂具有更大的作業(yè)縱深空間范圍[6]。在圖書館文獻自動拾取機器人工作過程中，機器人先要進行目標(biāo)文獻所在位置的信息數(shù)據(jù)獲取，根據(jù)目標(biāo)文獻位置的信息數(shù)據(jù)自主調(diào)整機械手的位置姿勢，從而實現(xiàn)對目標(biāo)文獻的精確定位、適度抓取、有效夾持、空間運移和定位排架。文獻自動拾取機器人的所有運動關(guān)節(jié)都由直流電機驅(qū)動，每個電機都帶有減速箱和碼盤反饋系統(tǒng)，可以實時反映各關(guān)節(jié)所對應(yīng)的準(zhǔn)確位置。

（二）機械手的機構(gòu)設(shè)計

在文獻自動拾取機器人機械手的機構(gòu)設(shè)計中，機械臂是由絲杠和導(dǎo)軌組成的直線運動結(jié)構(gòu)起作用，其長度變化由二者之間的相對位置決定。機械手被安裝在絲杠平臺上，它同時也是夾持器的運動平臺。在絲杠的平臺處固定安裝有兩個機械手夾持器用電機，夾持器的安裝位置是隨著電機的固定而確定的。機械手的主要部件分為兩套，即分書器和分書電機、夾書器和夾書電機。分書器與夾書器之間通過連桿鉸接，分書電機與夾書電機固定安裝在絲杠的云臺位置。分書電機與夾書電機運動狀態(tài)相互配合，它們之間的機械運動就構(gòu)成了機械手夾持器的分書、夾書、取書和存書等一系列文獻自動拾取的復(fù)雜動作。當(dāng)分書電機帶動分書器絲杠轉(zhuǎn)動時，夾書器電機不轉(zhuǎn)動，這樣就使得分書器的連桿處于張開狀態(tài)。當(dāng)分書器張開的角度與圖書的厚度相同時，夾書器也張開到同樣的寬度，此時，機械臂繼續(xù)伸出，將圖書送達書架的最佳位置。同時，夾書器電機開始工作，帶動夾書器的絲杠轉(zhuǎn)動，使得夾書器向外運動，并持續(xù)呈現(xiàn)為張開狀態(tài)。此時會產(chǎn)生兩種不同的情況，一種情況是分書器兩側(cè)圖書架上的圖書被分開，另一種情況則是夾書器張開。當(dāng)連桿與夾書器超過直角狀態(tài)時，它對圖書的夾持力量會逐漸減小，當(dāng)角度大到一定程度時，夾持力會減小為零。此時，機械臂會收回，夾書器與分書器也會依次進入閉合狀態(tài)。

（三）機械手的尺寸設(shè)計

文獻自動拾取機器人機械手的尺寸大小極其靈活性，將直接決定機器人能否順利地從書架上拿取文獻以及上架文獻。機械手的設(shè)計尺寸大小，要充分考慮到適應(yīng)圖書館各種文獻的尺寸大小。在一般情況下要設(shè)計三種尺寸類型，即最大尺寸類型、常用尺寸類型和最小尺寸類型。最大尺寸類型，有圖書館過刊裝訂的合訂本以及建筑藝術(shù)類的特種大尺寸文獻。常用尺寸類型有在圖書館中占有量最大的32開和16開尺寸文獻類型。最小尺寸類型有圖書館中的64開及其它小尺寸文獻。還有一些超薄的文獻尺寸類型，如書脊很薄，或根本沒有書脊的超薄文獻尺寸類型。在文獻自動拾取機器人機械手夾書器的內(nèi)側(cè)，我們應(yīng)設(shè)計安裝兩塊面料質(zhì)地較為粗糙的纖維材料，目的是增加夾書器與文獻之間的摩擦力，防止在拾取過程中出現(xiàn)文獻滑脫，尤其是在目前圖書館有相當(dāng)高比例光面壓膜裝文獻的現(xiàn)實情況下更是如此。另外，在機械手的模塊化控制設(shè)計過程中，應(yīng)考慮的重要因素是電機的負(fù)載問題。設(shè)計目標(biāo)既要保證機械手有足夠的力矩輸出實現(xiàn)對文獻的有效拾取，又要防止由于電機自身過重帶來額外的內(nèi)部消耗。

四、結(jié)語

圖書館智能化文獻自動拾取機器人技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，給圖書館文獻資源管理工作中的典藏環(huán)節(jié)以及圖書館讀者服務(wù)工作中的流通環(huán)節(jié)都帶來了巨大的變革。隨著更多圖書館智能化機器人技術(shù)的應(yīng)用與普及，圖書館將會以全新的智能化面貌面向讀者，為讀者帶來更加便捷的服務(wù)，為圖書館節(jié)約更多的人力資源，圖書館就可以有更多的人手從事更具有創(chuàng)造性和獨特專業(yè)性的數(shù)字化文獻資源管理工作和數(shù)字化文獻資源服務(wù)工作。

[1]方建軍,張曄.圖書館圖書自動存取機器人的研究與應(yīng)用[J].圖書館建設(shè),2012(7).

[2]趙晉芳,張海華,郭太君.一種圖書搬運機器人的設(shè)計[J].福建質(zhì)量管理,2016(4).

[3]李雙岑.服務(wù)機器人移動平臺的設(shè)計[J].電子世界,2017(1).

[4]機器人找書路徑最短,南大圖書館有了“最強大腦”[EB/0L].http://www.chnlib.com/News/2017-02/98300.html.

[5]周毅鈞,陳勇明.工業(yè)機器人拾取系統(tǒng)[J].化學(xué)工程與裝備,2016(10).

[6]王宏,楊志成,任惠榮.圖書上下架機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其機器手的樣機試驗[J].電子世界,2017(2).

G250；TP399

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1005-9652（2017）04-0123-03

（責(zé)任編輯：虞志堅）

朱曉霞（1980-），女，青海民和人，鐵道警察學(xué)院圖書館館員，研究方向：圖書館讀者服務(wù)。