基于分布式結(jié)構(gòu)的圖書整理機器人系統(tǒng)設(shè)計

晁艷普

(許昌學(xué)院機電工程學(xué)院,河南 許昌 461000)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，圖書館、檔案館的規(guī)模發(fā)生了日新月異的變化。圖書館作為科技人才的知識庫，應(yīng)跟隨時代的發(fā)展同步升級，但現(xiàn)有的圖書館管理仍非常落后。在目前的圖書日常管理中，分類、整理、清點、運輸和上下架等作業(yè)需要花費大量的人力和物力，有時還會出現(xiàn)圖書分類錯誤[1]。如何實現(xiàn)圖書的借閱、上架、下架、清點、整理、傳送的機械化、自動化，是圖書館目前需要解決的問題。采用智能圖書管理機器人是未來圖書管理發(fā)展的大趨勢[2-3]。

目前，國內(nèi)外圖書館的圖書自動存取技術(shù)主要采用以下三種模式[4]。一是在單個書架或書柜中采用自動化存取技術(shù)[5]；二是以圖書館整體為對象，采用桁架式的立體倉儲系統(tǒng)，實現(xiàn)圖書的自動存取[6]；三是在移動機器人精確定位的基礎(chǔ)上，通過專用的機械手實現(xiàn)圖書三維存取[7-9]。對于前兩種方案，由于圖書館后續(xù)規(guī)模升級時，需要更換的設(shè)備較多，因此成本很高，日常管理較為復(fù)雜。而第三種方案由于制造成本低、擴(kuò)展性和靈活性好[10]，已成為目前圖書館自動存取、整理圖書采用的主流技術(shù)方案。本文設(shè)計了基于分布式結(jié)構(gòu)的圖書管理機器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在無人干預(yù)的情況下，實現(xiàn)機器人的巡線定位、超聲波避障、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(yīng)用空間。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

圖書機器人系統(tǒng)整體設(shè)計采用分布式結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)由四層模型結(jié)構(gòu)組成，分別是操作層、控制層、設(shè)備層和現(xiàn)場層。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D Fig.1 The topology of overall system structure

操作層是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，能夠進(jìn)行人機交互。讀者可以通過計算機選書界面進(jìn)行圖書的選取。操作層和控制層通過網(wǎng)口進(jìn)行通信，實現(xiàn)各設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)共享，經(jīng)PLC控制器處理后發(fā)送指令給各模塊，使各模塊協(xié)調(diào)運動。設(shè)備層通過總線，對現(xiàn)場層各節(jié)點采集的信息進(jìn)行處理，并把數(shù)據(jù)反饋給PLC；設(shè)備層由各節(jié)點分布式的I/O模塊和現(xiàn)場控制器構(gòu)成。現(xiàn)場層由現(xiàn)場傳感器、機器人循跡運動機構(gòu)和機械臂構(gòu)成?，F(xiàn)場傳感器實時采集信息，并反饋給PLC。機器人先通過灰度傳感器進(jìn)行局部書框定位，然后通過械臂進(jìn)行圖書位置的精確定位，最后完成取、放書的動作。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)整體功能要求，為了實現(xiàn)圖書機器人循跡移動、精確定位和自主取/還書等過程，本設(shè)計采用循跡移動底盤承載三軸運動機械臂的組合模式。這種結(jié)構(gòu)使機械臂具有較大的工作空間和高度的運動冗余性，優(yōu)于傳統(tǒng)整體桁架式的立體倉儲機械結(jié)構(gòu)。圖書機器人整體機械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 整體機械結(jié)構(gòu)圖 Fig.2 Overall mechanical structure

循跡移動底盤整體采用6160鋁合金型材，以4個大功率直流電機作為動力驅(qū)動；移動輪子采用齒形輪轂外加防滑橡膠輪胎的組合方式，可確保機器人底盤具有足夠的動力輸出和較大的防滑摩擦力。底盤前后兩端裝有超聲波傳感器，底部裝有灰度循跡傳感器，可實現(xiàn)底盤移動過程中的避障和自主循跡定位。三軸運動機械臂中的X軸、Y軸和Z軸，用來實現(xiàn)圖書位置的精確定位。三軸都使用42BYG步進(jìn)電機作為動力驅(qū)動，采用同步帶、螺母滾珠絲杠副傳動和直線導(dǎo)軌作為傳動機構(gòu)。X軸和Y軸的有效行程為300 mm，Z軸的有效行程為500 mm，并具有斷電情況下的自鎖功能。各運動軸都設(shè)有零點和正負(fù)限位，對系統(tǒng)起到保護(hù)作用。三軸運動機械臂中的圖書夾取裝置采用鋁合金材料，利用平行四邊形機構(gòu)原理進(jìn)行設(shè)計。通過外加齒輪傳動，能夠?qū)⒍鏅C轉(zhuǎn)過的角度轉(zhuǎn)換成卡爪的張開和閉合，從而實現(xiàn)對圖書的夾緊和放松。該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)采用氣動卡爪的模式相比，無需氣源和拖線，結(jié)構(gòu)更緊湊、靈活性更好；通過傳動機構(gòu)，增強了夾緊力。通過加工和組裝調(diào)試后，經(jīng)實際測試表明，系統(tǒng)能夠滿足功能要求。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件控制電路設(shè)計

本系統(tǒng)采用PLC和ATMEGA單片機作為主控單元。機器人循跡移動底盤采用ATmega328單片機，三軸運動夾取機械臂采用ATmega2560單片機。外圍電路可以實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換、接口通信、電機驅(qū)動、傳感信號測量和開關(guān)量控制。主控芯片ATmega328單片機是一款高性能、低功耗的AVR(R)8位微控制器，擁有32個8位通用工作寄存器、2個8位定時器/計數(shù)器、6個脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)通道，可以滿足多種功能模式的控制要求。電源轉(zhuǎn)換模塊采用TPS54331芯片和電阻、電容濾波，用于將24 V的電壓轉(zhuǎn)換成5 V和6～12 V直流電壓，為單片機模塊和驅(qū)動器公共端供電。接口模塊采用CH340GISP芯片，使用互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商(internet service provider,ISP)的下載接口。電機驅(qū)動電路采用TB6612FNG驅(qū)動器件。該器件的優(yōu)點是：轉(zhuǎn)速可調(diào)，抗干擾能力強；具有續(xù)流保護(hù)，PWM支持頻率高達(dá)100 kHz，脈寬平滑調(diào)速；可實現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、制動和停止這4種電機控制模式。在實際控制過程中，要實現(xiàn)機器人的巡線定位、超聲波避障和圖書的自動取、還功能，需建立主控板與現(xiàn)場層傳感器、運動機構(gòu)和I/O設(shè)備之間的正確連接，以實現(xiàn)控制指令和數(shù)據(jù)的通信傳輸。整個系統(tǒng)的硬件控制接線示意圖如圖3所示。

圖3 硬件控制接線示意圖 Fig.3 Schematic diagram of wirings of hardware control

圖3(a)中：1號、2號接口為機器人底盤的輸出端口。1號接口為高位，2號接口為低位，共同組成4個二進(jìn)制信號(00、01、10和11)。將6號接口作為底盤主控板的輸入端口，并分別將插頭1和插頭2作為2位二進(jìn)制的信號接口。其中，插頭1表示信號的高位，插頭2表示信號的低位。M1、M2接口分別接底盤左側(cè)的2個直流電機和右側(cè)的2個直流電機。3號、4號接口分別接底盤正前方的巡線模塊和底盤右側(cè)的數(shù)點定位算法用的巡線模塊。7號、8號接口分別接底盤前方的超聲波模塊和底盤后方的超聲波模塊。

圖3(b)中：1號、2號、3號接口分別接圖書夾取機械臂X軸、Y軸、Z軸的3個電機；6號、7號接口為圖書夾取機械臂的主控板輸入端口；4號接口作為圖書夾取機械臂主控板的輸出端口，分別將插頭1和插頭2作為2位二進(jìn)制的信號接口。其中，插頭1表示信號的高位，插頭2表示信號的低位。9號接口為卡爪舵機端口，10號接口為限位開關(guān)。

3.2 控制軟件及界面

根據(jù)圖書機器人取/還書過程特點和硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，控制軟件系統(tǒng)主要由PLC總體控制程序、循跡移動底盤控制程序和圖書夾取機械臂控制程序三部分組成。PLC采用循環(huán)掃描機制工作，在每個掃描周期都要完成自檢、I/O更新、數(shù)據(jù)通信等操作。機器人開機后處于初始狀態(tài)。當(dāng)PLC給機器人發(fā)出對應(yīng)書架信號時，機器人首先進(jìn)行位置判斷。到達(dá)指定位置后，向PLC發(fā)出到位信號，圖書夾取機械手開始執(zhí)行取書或者還書動作，機械手動作完成后輸出一個動作完成信號。機器人循跡移動底盤控板接收到機械手動作完成的信號后，機器人返回初始點，取書或者還書過程完成，機器人自動執(zhí)行下一次信號發(fā)出的程序。機器人PLC控制程序流程如圖4所示。

圖4 PLC控制程序流程圖 Fig.4 The flowchart of PLC control program

機器人循跡移動底盤控制過程中，當(dāng)主控板檢測6號接口的輸入信號，并接收到來自PLC的圖書位置信號后，運算得出書架位置。然后，檢測超聲波傳感器前是否有障礙物。如果有障礙物，機器人循跡移動底盤停止前進(jìn)；如果沒有障礙物，則機器人繼續(xù)前進(jìn)。當(dāng)運動軌跡偏離預(yù)定的軌跡時，機器人會根據(jù)底盤前面的巡線模塊回傳的數(shù)據(jù)，及時修正行駛路線。當(dāng)達(dá)到圖書所在書架位置后，位于機器人右側(cè)的傳感器會及時傳輸返回信號，機器人退出巡線避障模式，停止運行。

圖書夾取機械臂控制程序流程圖如圖5所示。首先，主控板接收到PLC的取/還書信號，夾取機械臂平臺等待接收到PLC的圖書位置信號。然后，夾取機械臂的X軸、Y軸和Z軸執(zhí)行復(fù)位程序；X軸、Y軸和Z軸分別動作到位后，夾取機械臂卡爪的MG995舵機轉(zhuǎn)動；卡爪完成動作后，等待PLC發(fā)出松手信號?？ㄗλ砷_后，整個夾取機械臂控制程序結(jié)束。

圖5 機械臂控制流程圖 Fig.5 The control flowchart of the manipulator

為了實現(xiàn)取/還書的人機交互和圖書信息的存儲管理，在visu+軟件平臺上開發(fā)了智能圖書機器人，即人機交互取/還書系統(tǒng)。通過與PLC通信模塊的通信，完成了過程數(shù)據(jù)的監(jiān)控、記錄查詢、報警信息查詢和參數(shù)設(shè)置。人機界面按功能劃分為取/還書控制區(qū)和運行監(jiān)控區(qū)，并由實體化的圖標(biāo)與按鈕來組態(tài)，使圖書管理人員更容易理解與操作。在取/還書控制區(qū)，操作者可以通過組態(tài)按鈕，選擇要借閱和歸還的圖書名稱；后臺的數(shù)據(jù)庫會將圖書的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給PLC；PLC通過協(xié)調(diào)控制循跡移動底盤和圖書夾取機械臂的運動實現(xiàn)圖書的取或還。運行監(jiān)控區(qū)實時采集循跡移動底盤和圖書夾取機械臂的運動軌跡信息，并通過數(shù)據(jù)仿真圖書機器人的運動過程。

4 試驗測試

為了驗證所開發(fā)系統(tǒng)的可行性，本文通過visu+開發(fā)人機交互取/還書界面，分別選擇兩本需要借閱和歸還的圖書信息。圖書機器人根據(jù)圖書的數(shù)據(jù)信息，利用PLC發(fā)出圖書位置信號。主控單片機板接收到PLC信號后，驅(qū)動移動底盤利用巡線模塊識別地上的黑條來巡線移動和數(shù)點定位，并到達(dá)圖書所在書架位置。圖書夾取三軸機械臂復(fù)位后開始進(jìn)行取/還書動作，依據(jù)PLC得到的圖書信息計算出圖書的精確位置。舵機驅(qū)動卡爪能夠準(zhǔn)確完成圖書的夾取和松開，并返回初始狀態(tài)。試驗結(jié)果證明，所開發(fā)的系統(tǒng)滿足設(shè)計和使用要求。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于分布式結(jié)構(gòu)的圖書整理機器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用PLC和單片機作為主控單元，利用超聲波和灰度循跡傳感器，實現(xiàn)實時避障和巡線定位；通過人機交互取/還書界面，選取不同的圖書，在PLC和單片機的協(xié)調(diào)控制下，能夠準(zhǔn)確完成圖書的自動借閱和歸還。試驗結(jié)果驗證了開發(fā)系統(tǒng)的可行性和正確性。但該系統(tǒng)還存在一定的不足，需要進(jìn)一步完善、升級。今后，可以擴(kuò)展其自動充電、語音交互、機器視覺和RFID識別功能，使之更加信息化和智能化，為后續(xù)推廣應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

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