圖書搬運(yùn)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王植平 陳鑫 陜鵬 徐靜卓 馬娜娜

摘 要：圖書館的圖書整理工作非常的繁瑣。一個(gè)圖書館往往有大量的書籍需要管理員管理;對(duì)于不熟悉圖書館的借書人來說想要在茫茫書海中找到一本自己想要的書是非常困難的。此次設(shè)計(jì)就是幫助管理人員管理書籍的同時(shí)幫助人們更加快速的借書。機(jī)器人小車采用AGV磁導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)規(guī)劃軌跡，利用FRID與Aleph 500軟件聯(lián)合應(yīng)用找到特定書籍，后取走相應(yīng)書籍給用戶。

關(guān)鍵詞：軌跡歸劃;FRID;AGV

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和文化的快速發(fā)展，越來越多的人開始到圖書館借書，用知識(shí)武裝自己?，F(xiàn)代圖書館大型化、多功能性導(dǎo)致圖書館的管理員工作壓力越來越大。大部分讀者不明白圖書館藏書的一般規(guī)律，為了找一本自己喜歡的書往往會(huì)花上幾個(gè)小時(shí)，多數(shù)時(shí)間都浪費(fèi)在找書上面。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)能夠幫助管理員整理書籍的同時(shí)還能夠幫助人們快速借閱書籍的機(jī)器人很有必要。

1 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

圖書機(jī)器人結(jié)構(gòu)分兩大主要部分。

（1）第一部分是小車底盤：

小車部分主要是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由舵機(jī)以及傳動(dòng)齒輪組成，舵機(jī)主要控制小車的方向，傳動(dòng)齒輪則負(fù)責(zé)小車的前進(jìn)和后退?？刂葡到y(tǒng)有中央處理器，主要計(jì)算起點(diǎn)終點(diǎn)的位置進(jìn)行軌跡規(guī)劃和控制整個(gè)車的運(yùn)行，處理紅外探頭所返回的信息，控制小車的姿態(tài)來規(guī)避障礙。

（2）第二部分是搬運(yùn)機(jī)械臂：

車載書架提供將書架上的書取出以后臨時(shí)放置的功能。臨時(shí)放置書籍的位置可以一次性的取更多的書，可以節(jié)約時(shí)間并提高工作效率。機(jī)械臂是作為在書架取書的工具，利用FRID技術(shù)將具體書籍準(zhǔn)確定位以后由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂到達(dá)相應(yīng)的位置拿取書籍放回到書架上。

2 圖書搬運(yùn)機(jī)器人的工作流程

圖書館的PC機(jī)向小車發(fā)出取書的指令后有小車確認(rèn)終點(diǎn)位置進(jìn)行軌跡規(guī)劃，并驅(qū)動(dòng)小車到達(dá)終點(diǎn)位置。移動(dòng)機(jī)械臂尋找目標(biāo)書籍的準(zhǔn)確位置后驅(qū)動(dòng)機(jī)械爪抓取書籍并將書籍運(yùn)送至指定位置。最后回到起點(diǎn)等待下次取書指令。

3 機(jī)器人功能實(shí)現(xiàn)

3.1硬件功能實(shí)現(xiàn)：

（1）機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)

因?yàn)槭窃趫D書機(jī)器人是在閱覽室活書庫(kù)環(huán)境中使用，地面比較平坦，所以機(jī)器人采用箱體式設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)方式為輪式驅(qū)動(dòng)，采用差速轉(zhuǎn)向的方式。

機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)為24V直流伺服電機(jī)，采用PC104主板進(jìn)行控制，以windows系統(tǒng)作為圖書館計(jì)算機(jī)和機(jī)器人終端的人機(jī)交互的方式。

（2）機(jī)器人的軌跡規(guī)劃

線路導(dǎo)航采用的是磁導(dǎo)軌（AGV）的方式進(jìn)行導(dǎo)航。使用預(yù)埋電磁釘系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的尋路導(dǎo)航機(jī)器人通過預(yù)埋的磁釘來進(jìn)行存取書籍（流程如圖3所示）。將每個(gè)磁釘進(jìn)行編號(hào)（如圖4所示）機(jī)器人上的磁感應(yīng)系統(tǒng)與地下預(yù)埋的磁釘相互感應(yīng)確定小車的位置并不斷的將信號(hào)反饋給電驅(qū)動(dòng)模塊的處理器;處理器基于信號(hào)生成相應(yīng)的控制信號(hào)控制電機(jī)的運(yùn)行。運(yùn)用紅外傳感器用于防止碰撞，實(shí)現(xiàn)避障的功能。

利用電磁條為機(jī)器人提供路線導(dǎo)航的同時(shí)還可以利用電磁感應(yīng)為機(jī)器人提供能源支持，通過電磁條為機(jī)器人提供能源支持就能夠解決機(jī)器人需要重復(fù)充電的需求同時(shí)由于不需要攜帶電源設(shè)備因此可以大幅度的減輕機(jī)器人的自重。

3.2機(jī)器人實(shí)現(xiàn)存取書籍方面

機(jī)器人采用5自由度的機(jī)械手實(shí)現(xiàn)書籍的拿取功能，5自由度的機(jī)械臂能夠完全滿足抓取書籍的功能。機(jī)械手采用連桿機(jī)構(gòu)通過齒輪實(shí)現(xiàn)開閉功能，運(yùn)用伺服電機(jī)控制齒輪的旋轉(zhuǎn)來控制機(jī)械手的開合角度，如圖5所示。

3.3軟件功能實(shí)現(xiàn)：

（1）對(duì)整個(gè)圖書館采用以圖書館集成系統(tǒng)Aleph 500。

Aleph 500是一個(gè)基于智能化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，采用分布式的邏輯結(jié)構(gòu)和多層客戶機(jī)/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)以及成熟開放的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)（ORACLE）。

Aleph 500軟件的優(yōu)點(diǎn)眾多：靈活性的模塊化組件，可以根據(jù)需要裁減，以適合用戶的需求;友好的用戶工作流和簡(jiǎn)潔直觀的圖形界面提高了館員和用戶的效率;組件可以修改和定制，任何規(guī)模的圖書館及其聯(lián)合組織都可以建立自己獨(dú)一無(wú)二的管理系統(tǒng);依據(jù)OpenURL、XML、OAI、NCIP、ODBC等工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，Ex Libris產(chǎn)品提供最終的資源共享能力、完全的連通性和其他系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)的無(wú)縫協(xié)調(diào)工作能力;固有的多層客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，確保Aleph 500滿足用戶今天和未來的需求。多語(yǔ)種對(duì)UNICODE完全支持，提供了多方向和多腳本文本能力。可以提供20余種的用戶接口。

（2）圖書館機(jī)器人采用多處理器協(xié)調(diào)模式。

對(duì)機(jī)器人不同的功能用不同的處理器進(jìn)行處理，同時(shí)鏈接到同一個(gè)單片機(jī)芯片上，通過中間芯片發(fā)出對(duì)各個(gè)不同系統(tǒng)的指令最終實(shí)現(xiàn)對(duì)圖書的存取工作，以及對(duì)路線的規(guī)劃。不同的芯片處理不同問題然后再將結(jié)果進(jìn)行匯總進(jìn)行集中處理可以降低對(duì)程序的編程要求。

（3）機(jī)器人對(duì)圖書的識(shí)別方式。

書籍識(shí)別方面采用RFID技術(shù)進(jìn)行對(duì)書籍的識(shí)別。

RFID技術(shù)即頻識(shí)別，RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)，又稱無(wú)線射頻識(shí)別，是一種通信技術(shù)，俗稱電子標(biāo)簽。

RFID技術(shù)在圖書館掃描方面相比紅外線掃描條形碼有巨大的優(yōu)勢(shì)，RFID技術(shù)是不需要通過條形碼進(jìn)行掃描因此能夠降低對(duì)圖書漏掃錯(cuò)掃的幾率，對(duì)圖書的識(shí)別更加的簡(jiǎn)單。而且RFID技術(shù)的遠(yuǎn)距離識(shí)別可以使機(jī)器人初始對(duì)書架的定位等更加的方便。對(duì)書架的定位可以在需要同時(shí)取走多本書的時(shí)候進(jìn)行整體的軌跡規(guī)劃能夠節(jié)約時(shí)間成本和機(jī)器人的運(yùn)行成本。

4 功能拓展

在此基礎(chǔ)上可以通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)小程序功能，支持對(duì)相應(yīng)圖書的預(yù)約。通過小程序?qū)D書進(jìn)行預(yù)約后圖書機(jī)器人會(huì)提前將所需要的圖書檢索獲取，把目標(biāo)圖書從書架送至前臺(tái)。借書人只需要在前臺(tái)登記信息后就可以把書籍帶走。這樣預(yù)約式的借書不僅可以節(jié)約借書者找書的時(shí)間還可以有效的減少人們?cè)趫D書館逗留的時(shí)間;間接的提高圖書館的容納量。而且遇到一類書不夠的情況時(shí)，預(yù)約借書還能夠幫助人們提前一步借到自己想要的書。

5 結(jié)論

圖書機(jī)器人是一種可以幫助借書人快速的在書海中找到自己所需要的一本書的機(jī)器人。盡管這個(gè)設(shè)計(jì)雛形在很早以前就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但都只是出于實(shí)驗(yàn)階段，因?yàn)楦鞣N原因都沒有在公共圖書館大量使用。這個(gè)機(jī)器人以單片機(jī)為主要控制系統(tǒng)，人機(jī)交互為Windows系統(tǒng)使我們更加的熟悉，學(xué)習(xí)起來也更快捷，同時(shí)利用PC機(jī)對(duì)機(jī)器人的控制更加的直觀，在后面的發(fā)展中想要拓展更多的功能時(shí)也方便很多。機(jī)器人可以幫助管理員管理圖書，將顧客歸還的圖書按照相應(yīng)的次序擺放在書架上;當(dāng)圖書館收藏新的書籍可以幫助管理員快速的歸類。

但是這個(gè)機(jī)器人目前只能單一的幫助圖書管理員將圖書按照已有的次序有序的將書籍?dāng)[放在書架上。面對(duì)游客看完后隨意放置在書架的書籍無(wú)法做到將他重新放回到正確的位置。這是一個(gè)急需改進(jìn)的地方。相信這些問題在試驗(yàn)性應(yīng)用后是能夠快速得到解決的。

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作者簡(jiǎn)介：

王植平（1998-），男，湖北恩施人，本科，武漢商學(xué)院機(jī)器人工程專業(yè);主要研究方向：工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成。

陜鵬（1999-），男，湖北公安人，本科，武漢商學(xué)院機(jī)器人工程專業(yè);主要研究方向：工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成。

徐靜卓（1998-），男，湖北咸寧人，本科，武漢商學(xué)院機(jī)器人工程專業(yè);主要研究方向：工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成。

馬娜娜（2000-），湖北天門人，本科，武漢商學(xué)院機(jī)器人工程專業(yè);主要興趣和研究方向有機(jī)器人的集成設(shè)計(jì)，智能機(jī)器人編程，機(jī)器人教育。

通訊作者：

陳鑫（1988-），男，湖北武漢人，碩士，武漢商學(xué)院教師，工程師;主要研究方向：工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)仿真，視覺識(shí)別。

[基金項(xiàng)目] ：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：202011654094， 名稱：DIY機(jī)器人定制平臺(tái)。

（武漢商學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 ?湖北 ?武漢 ?430056）