基于圖書自動(dòng)上架與盤點(diǎn)機(jī)械手的24小時(shí)圖書驛站全自動(dòng)方案設(shè)計(jì)

宋虎 王威 李書恒 錢坤 周瑜

摘 要：介紹了基于可編程控制器PLC的三軸機(jī)械手，利用三軸機(jī)械手與RFID技術(shù)對(duì)張家港市圖書驛站的圖書上架與圖書盤點(diǎn)方式進(jìn)行改進(jìn)，建立了基于圖書自動(dòng)上架與盤點(diǎn)機(jī)械手的24小時(shí)圖書驛站全自動(dòng)方案。

關(guān)鍵詞：PLC;三軸機(jī)械手;RFID;圖書驛站;圖書自動(dòng)上架

1 緒論

為貼近居民生活，促進(jìn)全民讀書學(xué)習(xí)，作為全國首批先進(jìn)文明縣的張家港，在全國首創(chuàng)“圖書館驛站”（以下簡(jiǎn)稱為圖書驛站）。圖書驛站自2013年成立至今，已具規(guī)模，讀者人數(shù)多、圖書流動(dòng)率高，受到張家港市民的熱烈喜愛[2]。圖書驛站全天候開放，讀者可以在任何時(shí)間進(jìn)入驛站內(nèi)閱讀。但通過調(diào)研分析，張家港市圖書驛站在圖書自動(dòng)上架、圖書盤點(diǎn)等方面尚有改進(jìn)空間。為了使圖書驛站免除傳統(tǒng)人工管理模式，同時(shí)解決圖書上架繁瑣、盤點(diǎn)易出錯(cuò)等問題，使其更加人性化，自動(dòng)化，筆者將自動(dòng)化技術(shù)引入到圖書驛站中，利用PLC、三軸機(jī)械手、無線射頻技術(shù)（RFID）對(duì)驛站進(jìn)行改進(jìn)，旨在降低成本、提高圖書服務(wù)質(zhì)量并且提高管理效率，實(shí)現(xiàn)圖書驛站的全自動(dòng)化、無人化，構(gòu)建“全自動(dòng)化圖書館驛站”，使市民即使在喧鬧的都市中也能享受“無人的靜謐”。

2 圖書自動(dòng)上架系統(tǒng)

2.1 三軸機(jī)械手

三軸機(jī)械手硬件部分主要由四臺(tái)步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲桿、直線導(dǎo)軌等元器件組成，通過PLC控制四臺(tái)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲桿平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。滾珠絲桿是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的器件，可以將步進(jìn)電機(jī)的扭矩轉(zhuǎn)換成軸向反復(fù)作用力，采用滾珠絲桿能夠?qū)崿F(xiàn)精確快速的定位功能，從而使三軸機(jī)械手精準(zhǔn)夾取圖書實(shí)現(xiàn)圖書自動(dòng)上架。三軸機(jī)械手硬件框圖如圖1所示。

2.2 圖書自動(dòng)上架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖書自動(dòng)上架系統(tǒng)由三軸機(jī)械手、PLC、電氣控制柜、接近開關(guān)、電磁式接觸傳感器組成。四臺(tái)步進(jìn)電機(jī)與絲桿組成三軸機(jī)械手，機(jī)械手的主電機(jī)X1的絲桿導(dǎo)軌鋪設(shè)在書架正面的地面上，絲桿導(dǎo)軌嵌入地面。電機(jī)X1實(shí)現(xiàn)X軸方向的移動(dòng)，電機(jī)Y1實(shí)現(xiàn)Y軸方向的移動(dòng)，電機(jī)X1與Y1實(shí)現(xiàn)三軸機(jī)械手在書架的各層移動(dòng)。電機(jī)Z1實(shí)現(xiàn)Z軸方向的移動(dòng)，電機(jī)A1通過控制兩塊夾板實(shí)現(xiàn)夾書動(dòng)作，電機(jī)A1前端的兩塊夾板高度為13cm，厚度為2mm，由精鋼制成，硬度高且不易損壞。兩塊夾板下方設(shè)有一個(gè)長(zhǎng)度為38cm，寬度為8cm的托板，防止電機(jī)A1在夾取圖書的過程中圖書掉落。4臺(tái)步進(jìn)電機(jī)相互配合，從而實(shí)現(xiàn)夾取圖書功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型見圖2。

2.3 硬件選型

因?yàn)镻LC是圖書自動(dòng)上架系統(tǒng)的控制中心，步進(jìn)電機(jī)是三軸機(jī)械手的核心器件，因此本文的硬件選型，僅針對(duì)步進(jìn)電機(jī)與PLC。

2.3.1 步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是一種利用電脈沖信號(hào)來進(jìn)行控制，能夠?qū)㈦娒}沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的角位移或直線位移的執(zhí)行體系。步進(jìn)電機(jī)由于受到電脈沖的控制，其轉(zhuǎn)子的角位移量和速度會(huì)嚴(yán)格地與輸入脈沖的數(shù)量以及頻率成正比，從而可以通過控制脈沖數(shù)量來控制角位移的數(shù)量，進(jìn)一步達(dá)到精確定位的效果，考慮到圖書上架過程精確度較高，因此選用步進(jìn)電機(jī)是最好的選擇。步進(jìn)電機(jī)的種類十分豐富，根據(jù)其結(jié)構(gòu)可分為：反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)以及混合式步進(jìn)電機(jī)這三種。三種類型步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，如下表所示。

綜合以上情況，最終選擇采用歐力傳動(dòng)的57步進(jìn)電機(jī)加上DM542步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。DM542屬于中低壓步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。采用最新的32位DSP技術(shù)，具有非常優(yōu)秀的性能，能夠滿足本系統(tǒng)的性能需求。

2.3.2 可編程控制器（PLC）

可編程控制器（PLC）是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，由于PLC具有功能強(qiáng)大、可靠性高、體積小巧、可擴(kuò)展各種智能模塊等特點(diǎn)，使其在自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用十分普及。

圖書自動(dòng)上架系統(tǒng)使用的PLC要結(jié)構(gòu)緊湊、擴(kuò)展性好、指令功能強(qiáng)大、價(jià)格低廉、且體積小，需要具有斷電保持功能、以太網(wǎng)通訊、同時(shí)輸出3路PWM脈沖輸出等功能，通過比較各類品牌的PLC，最終選定西門子S7-200smart系列PLC作為圖書自動(dòng)上架系統(tǒng)的控制器，驅(qū)動(dòng)三軸機(jī)械手運(yùn)作。

2.4 系統(tǒng)原理

2.4.1 書架設(shè)置

張家港市圖書驛站按照?qǐng)D書的種類，每個(gè)書架放置同種圖書，每個(gè)書架的圖書分布沒有特定規(guī)則，讀者按照個(gè)人興趣到對(duì)應(yīng)書架選取圖書進(jìn)行閱讀。在三軸機(jī)械手夾取圖書的過程中，電機(jī)Z1前端的夾板難免會(huì)損壞圖書，為了保護(hù)圖書在上架過程中不被損壞，將張家港圖書驛站的書架特殊處理。書架模型圖見圖3。書架每層設(shè)置間隔擋板，間隔擋板將書架隔離成一個(gè)一個(gè)書洞，書洞的長(zhǎng)度為40cm，略大于三軸機(jī)械手前端托板的長(zhǎng)度。間隔板的厚度為1cm，材質(zhì)為合金。間隔板兩側(cè)切割出一個(gè)厚度為3mm，高度為15cm的槽口。圖書擺放在書架時(shí)，不會(huì)占用槽口的空間。三軸機(jī)械手夾取圖書時(shí)，前端兩塊夾板從槽口進(jìn)入，然后夾取圖書，此方法可有效保護(hù)圖書不被損壞。槽口模型圖見圖3。

2.4.2 圖書自動(dòng)上架過程

首先，三軸機(jī)械手的初始化位置在書架左下側(cè)，位置見圖3。三軸機(jī)械手始終處于待運(yùn)行狀態(tài)。在書架的右下角通過設(shè)置間隔擋板，建立長(zhǎng)度為40cm的還書處。在還書處的右側(cè)內(nèi)嵌電磁式接觸傳感器觸頭，讀者將借閱后的圖書放在還書處，圖書驛站新增的圖書也放至?xí)艿倪€書處。當(dāng)還書處的圖書達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，接觸傳感器感應(yīng)并動(dòng)作，并將動(dòng)作信號(hào)送至PLC。此時(shí)PLC開始運(yùn)作，驅(qū)動(dòng)三軸機(jī)械手的主電機(jī)X1動(dòng)作，主電機(jī)X1到達(dá)還書處，電機(jī)Z1與電機(jī)A1動(dòng)作夾取圖書，夾取書完畢后，Y1電機(jī)與X1電機(jī)配合，將圖書送至閑置書洞，從而實(shí)現(xiàn)圖書自動(dòng)上架。

3 圖書盤點(diǎn)系統(tǒng)

3.1 射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）

射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）主要由4個(gè)部分構(gòu)成，分別是閱讀器、應(yīng)答器、應(yīng)用系統(tǒng)和天線。射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）采用全新的無線信號(hào)監(jiān)控技術(shù)對(duì)目標(biāo)標(biāo)簽進(jìn)行掃描，根據(jù)掃描結(jié)果獲得標(biāo)簽?zāi)繕?biāo)的具體信息，是常見的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用之一[3]。如今，射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）在圖書館中的應(yīng)用十分廣泛，圖書館中90%以上的文獻(xiàn)借還服務(wù)利用了RFID技術(shù)。本文基于RFID的圖書盤點(diǎn)系統(tǒng)利用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖書自動(dòng)盤點(diǎn)功能，能夠?yàn)樽x者帶來便利，同時(shí)節(jié)省圖書驛站工作人員的工作量。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖書盤點(diǎn)系統(tǒng)由射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）與三軸機(jī)械手構(gòu)成。圖書盤點(diǎn)系統(tǒng)依托圖書自動(dòng)上架系統(tǒng)，射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）的閱讀器安置在三軸機(jī)械手前端夾板的中間，三軸機(jī)械手在書架各個(gè)位置移動(dòng)，RFID閱讀器即實(shí)現(xiàn)了對(duì)書架各層圖書的掃描盤點(diǎn)。圖書盤點(diǎn)系統(tǒng)與圖書自動(dòng)上架系統(tǒng)關(guān)系緊密但又相互獨(dú)立。關(guān)系緊密體現(xiàn)在：RFID閱讀器對(duì)書架圖書盤點(diǎn)是借助了三軸機(jī)械手的移動(dòng)，才得以實(shí)現(xiàn)。相互獨(dú)立體現(xiàn)在：RFID閱讀器通過耦合線圈發(fā)射出特定頻率的無線電波，實(shí)現(xiàn)與應(yīng)答器之間的數(shù)據(jù)信息交換，從而將圖書信息送入數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)。此過程與圖書自動(dòng)上架系統(tǒng)并無聯(lián)系。

3.3 系統(tǒng)原理

對(duì)圖書驛站的圖書進(jìn)行盤點(diǎn)，主要分為4個(gè)步驟：（1）粘貼RFID標(biāo)簽;（2）注冊(cè)RFID標(biāo)簽并與圖書條碼關(guān)聯(lián);（3）閱讀器掃描;（4）數(shù)據(jù)庫更新。在圖書驛站建成時(shí)，圖書數(shù)量較多，此時(shí)，將所有圖書按照種類放到對(duì)應(yīng)的書架上，PLC驅(qū)動(dòng)三軸機(jī)械手的X1、Y1電機(jī)運(yùn)作，按照從上到下，從左到右的順序掃描書架各層圖書，三軸機(jī)械手前端的RFID閱讀器對(duì)圖書標(biāo)簽進(jìn)行掃描閱讀并將圖書信息存入數(shù)據(jù)庫。這種方式，精確度高、耗時(shí)少，大大提高了圖書盤點(diǎn)的效率。此時(shí)的數(shù)據(jù)庫包含了圖書驛站所有圖書的信息。

在圖書驛站的日常運(yùn)行中，數(shù)據(jù)庫圖書信息的更新有以下兩種方式：（1）圖書驛站增加新書;（2）讀者借還書。在圖書驛站建成后，不定期增加的新書數(shù)量較少，因此，采用同一種方法對(duì)圖書驛站增加的新書與讀者歸還的書進(jìn)行盤點(diǎn)。方法如下：圖書驛站增加的新書也放至?xí)艿倪€書處，等到還書處的數(shù)量到達(dá)一定數(shù)量并觸發(fā)接觸傳感器時(shí)，三軸機(jī)械手將圖書上架，在主電機(jī)X1運(yùn)行到還書處時(shí)，機(jī)械手前端的RFID閱讀器開始運(yùn)作，對(duì)還書處的圖書進(jìn)行掃描盤點(diǎn)并將圖書信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫。

3.4 遺失盤點(diǎn)

對(duì)于RFID技術(shù)下的圖書盤點(diǎn)系統(tǒng)，過一段時(shí)間就需要進(jìn)行全面盤點(diǎn)，清除一些遺失數(shù)目及其標(biāo)簽，以保證RFID的標(biāo)簽?zāi)軌蛘５倪\(yùn)行?？紤]到張家港市圖書驛站24小時(shí)營(yíng)業(yè)、圖書流動(dòng)頻繁等特點(diǎn)，設(shè)定圖書驛站的閉館時(shí)間為每周一8：00—12：00，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，利用三軸機(jī)械手對(duì)圖書驛站內(nèi)所有圖書進(jìn)行掃描盤點(diǎn)，讓數(shù)據(jù)庫自動(dòng)地為圖書館全面盤點(diǎn)一次，找出遺失、錯(cuò)誤的圖書或RFID標(biāo)簽。

4 結(jié)語

張家港市圖書館驛站的工作人員是來自張家港市的志愿者，且多為中年女性，頻繁的圖書上架對(duì)于部分中年女性而言不是十分輕松?；趫D書自動(dòng)上架與盤點(diǎn)機(jī)械手的24小時(shí)全自動(dòng)方案將使圖書驛站提供全自動(dòng)化服務(wù)，改進(jìn)后的圖書館驛站以全自動(dòng)的方式節(jié)省圖書借還時(shí)間，減少工作人員的勞動(dòng)，使市民閱讀方式更為便捷。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：宋虎（1998—），男，江蘇徐州人，大學(xué)本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化;王威（1998—），男，江蘇鹽城人，大學(xué)本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化;李書恒（1998—），男，江蘇徐州人，大學(xué)本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化;錢坤（1999—），男，江蘇宿遷人，大學(xué)本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化;周瑜（1984—），女，江蘇張家港人，博士在讀，實(shí)驗(yàn)師，主要從事工業(yè)自動(dòng)控制教學(xué)與研究。