沈奎林,邵 波,陳力軍
(1.南京大學(xué)圖書(shū)館,江蘇 南京 210023;2.南京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系,江蘇 南京 210023)
技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)行業(yè)的轉(zhuǎn)型和跨越式發(fā)展。從數(shù)字圖書(shū)館到智慧圖書(shū)館的發(fā)展,每一步都在見(jiàn)證技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)行業(yè)的發(fā)展。人工智能、機(jī)器智能、深度學(xué)習(xí)、情景感知、智能交互等等技術(shù)的應(yīng)用,推動(dòng)了圖書(shū)館的智慧服務(wù)手段:智能推薦、語(yǔ)音識(shí)別、空間感知、人臉識(shí)別、虛擬導(dǎo)航、機(jī)器人等,越來(lái)越多的圖書(shū)館在嘗試將這些新技術(shù)新理念引入圖書(shū)館的服務(wù)當(dāng)中。圖書(shū)館智能盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人即是這個(gè)行業(yè)的典型代表。
機(jī)器人的應(yīng)用十分廣泛,從設(shè)備制造到農(nóng)業(yè)檢測(cè),從物流服務(wù)到家政服務(wù),從電子商務(wù)到電子政務(wù),各種形態(tài)的機(jī)器人參與其中。但是在圖書(shū)館行業(yè),機(jī)器人的應(yīng)用時(shí)間并不長(zhǎng),國(guó)內(nèi)外的相關(guān)學(xué)者和圖書(shū)館從業(yè)人員一直在探索和研究。智能盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人的出現(xiàn)解決了圖書(shū)館圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)、圖書(shū)錯(cuò)架、圖書(shū)誤排、圖書(shū)被偷藏等問(wèn)題。樊慧麗和邵波[1]回顧了圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)技術(shù)發(fā)展歷程,對(duì)智能機(jī)器人圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)、局限和未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了實(shí)證分析和思考。沈奎林[2]等人基于超高頻RFID技術(shù),研制開(kāi)發(fā)了智能圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人,在應(yīng)用中取得了較好的效果。倪劼[3]探討了使用RFID 設(shè)備進(jìn)行圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。認(rèn)為使用該設(shè)備將大幅降低圖書(shū)館員在圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)工作中所花費(fèi)的時(shí)間,在一定程度上能夠促進(jìn)圖書(shū)館服務(wù)方式的轉(zhuǎn)變。劉建峰[4]將RFID 技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合,提出設(shè)計(jì)一款能夠自動(dòng)完成盤(pán)點(diǎn)的機(jī)器人,并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真研究。張宣政[5]設(shè)計(jì)研究一種書(shū)庫(kù)自動(dòng)盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人小車(chē),利用超聲波測(cè)距作為導(dǎo)引方式,擁有自動(dòng)避障功能,來(lái)實(shí)現(xiàn)在圖書(shū)館書(shū)庫(kù)中自動(dòng)導(dǎo)引行走的功能,同時(shí)在小車(chē)底盤(pán)上設(shè)計(jì)了一種電機(jī)驅(qū)動(dòng)的牙嵌式離合器結(jié)構(gòu),可方便地進(jìn)行人力推行和自動(dòng)行走兩個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。陳力軍[6]等人設(shè)計(jì)了一種基于RFID 技術(shù)的自動(dòng)式圖書(shū)智能盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人,利用RFID 技術(shù)中的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)和射頻相位技術(shù),以及機(jī)器自動(dòng)化技術(shù),實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化全館圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)功能,并且精確快捷地實(shí)現(xiàn)圖書(shū)館圖書(shū)盤(pán)點(diǎn),從而使得圖書(shū)管理人員可以方便、迅速地查找和管理圖書(shū)。陳慧香和邵波[7]調(diào)研了國(guó)內(nèi)外圖書(shū)館領(lǐng)域機(jī)器人的相關(guān)文獻(xiàn),梳理出圖書(shū)館機(jī)器人的發(fā)展歷程,借鑒其他領(lǐng)域先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù),展望智慧圖書(shū)館時(shí)代圖書(shū)館機(jī)器人發(fā)展的趨勢(shì)。張文竹和邵波[8]預(yù)測(cè)未來(lái)圖書(shū)館機(jī)器人的推廣應(yīng)用將更加規(guī)模化,更加注重與人工智能技術(shù)融合,具有更強(qiáng)的硬件設(shè)備與運(yùn)動(dòng)能力,并更加注重人機(jī)協(xié)作。Thomas Guthrie Zimmerman[9]以零售店商品的盤(pán)點(diǎn)為例,詳細(xì)說(shuō)明了商品盤(pán)點(diǎn)信息和圖片數(shù)據(jù)庫(kù)的生成過(guò)程和關(guān)鍵技術(shù)。這些研究成果給圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)提供了有益的借鑒。Morenza-Cinos M[10]等人提出了一種新的機(jī)器人,用于在零售店中清點(diǎn)和定位所有產(chǎn)品,而無(wú)須安裝任何固定的基礎(chǔ)設(shè)施,這個(gè)機(jī)器人將激光制導(dǎo)的自主機(jī)器人底座與由多個(gè)RFID讀卡器和天線以及3D攝像機(jī)組成的射頻識(shí)別(RFID)有效載荷結(jié)合在一起,用來(lái)盤(pán)點(diǎn)商品。Jian Zhang[11]等人設(shè)計(jì)了機(jī)器人,它可以自動(dòng)生成一條路徑,覆蓋給定商店地圖邊界內(nèi)的所有商品,然后按照生成的路徑執(zhí)行庫(kù)存,此機(jī)器人能夠在布局復(fù)雜的銷(xiāo)售平臺(tái)上高效的執(zhí)行基于RFID 的庫(kù)存,并提供了與手工庫(kù)存相比更為準(zhǔn)確的庫(kù)存。J Thirumurugan[12]等人設(shè)計(jì)了一種采用傳感器控制電機(jī)的線跟蹤機(jī)器人,以跟蹤為圖書(shū)館書(shū)架布置而預(yù)先確定的線路徑。機(jī)器人攜帶條形碼閱讀器,從垂直排列的書(shū)籍中收集條形碼數(shù)據(jù),并將解碼后的條形碼數(shù)據(jù)與搜索輸入進(jìn)行比較。如果機(jī)器人到達(dá)要找到的書(shū),那么機(jī)器人會(huì)將書(shū)的位置提供給圖書(shū)管理員或訪問(wèn)圖書(shū)館的人,在圖書(shū)館中機(jī)器人用于搜索。機(jī)器人在搜索過(guò)程中遇到障礙時(shí),會(huì)暫停并發(fā)出警報(bào)。可以使用機(jī)器人中預(yù)先編程的數(shù)據(jù)重新排列放錯(cuò)地方的書(shū)籍,這有助于保持書(shū)籍的順序排放正確。這有助于簡(jiǎn)化書(shū)籍的整理工作,也減少了圖書(shū)館工作人員的手工日常工作。Isaac Ehrenberg[13]等人介紹了一種配備有RFID閱讀器的機(jī)器人libbot,它可以自動(dòng)完成以前手動(dòng)讀架的過(guò)程,并自動(dòng)找到放錯(cuò)地方的書(shū)籍。實(shí)驗(yàn)表明,此機(jī)器人輔助庫(kù)存管理方法不僅能夠檢測(cè)出錯(cuò)位書(shū),而且能夠確定書(shū)架上的書(shū)的順序,甚至可以精確地定位至幾厘米。Jia Liu[14]等人提出了一種將機(jī)器人技術(shù)與射頻識(shí)別技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)貨架自動(dòng)掃描的智能射頻掃描儀系統(tǒng)。前者用來(lái)取代圖書(shū)館員,從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來(lái)。后者安裝在機(jī)器人上,與機(jī)器人一起移動(dòng)掃描書(shū)架上的書(shū)。我們提出了圖書(shū)館員關(guān)心的兩個(gè)重要問(wèn)題:圖書(shū)定位和圖書(shū)檢測(cè),并給出了完善的解決方案。
從調(diào)研來(lái)看,圖書(shū)館智能盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人的研究起步較早,有很多相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了理論研究和模型研究,大多數(shù)的機(jī)器人處于試驗(yàn)階段。真正的應(yīng)用要數(shù)南京大學(xué)圖書(shū)館和新加坡圖書(shū)館了。南京大學(xué)圖書(shū)館聯(lián)合南京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系陳力軍教授團(tuán)隊(duì)合作,主要研制圖書(shū)館智能盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人,目前已經(jīng)是第四代機(jī)器人,超高頻RFID 和高頻RFID 的都有。在應(yīng)用的過(guò)程中,不斷迭代更新軟件和設(shè)計(jì),有很多的優(yōu)點(diǎn),當(dāng)然在新的環(huán)境要求下,也反映了一些不足之處。
目前,國(guó)內(nèi)很多公共圖書(shū)館、高校圖書(shū)館的自助設(shè)備都借助于RFID 傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn),有不少已經(jīng)應(yīng)用了基于RFID 的全套系統(tǒng)。在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中,館員們發(fā)現(xiàn),RFID 系統(tǒng)中圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)功能最弱,一般是推車(chē)掃描儀、手持掃描儀,存在許多不足之處。在這種情況下,南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系和南京大學(xué)圖書(shū)館聯(lián)合研制了首款智能盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人[15],取得了諸多首創(chuàng),在圖書(shū)館界引起了廣泛的討論和研究。目前美國(guó)、德國(guó)和新加坡等國(guó)家也在研制類(lèi)似機(jī)器人[16],基于超高頻RFID的盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人確實(shí)解決了圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)、錯(cuò)架亂架、讀者藏書(shū)等一些問(wèn)題,解決了人工不能解決的問(wèn)題,并且可以在圖書(shū)館不開(kāi)放的時(shí)候自己工作,沒(méi)電了可以自動(dòng)充電,不會(huì)影響到圖書(shū)館正常開(kāi)放。
圖書(shū)館的盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人主要用于在無(wú)人值守的情況下進(jìn)行書(shū)籍的數(shù)目盤(pán)點(diǎn)、錯(cuò)架提示等,存在的一些需要完善的地方有如下幾個(gè)方面:(1)盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人還不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)將書(shū)上架的功能,這個(gè)方面涉及很多知識(shí),是一個(gè)世界性的難題;(2)盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人都是單打獨(dú)斗,各自負(fù)責(zé)工作,盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人之間、盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人和人之間、盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人和書(shū)本之間的交互還是個(gè)盲點(diǎn);(3)盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人對(duì)環(huán)境的感知還主要依靠虛擬地圖和底部激光定位,對(duì)環(huán)境要求稍高,在人數(shù)比較多的情況下,盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人的定位可能會(huì)受到干擾。在這種情況下,研制共融機(jī)器人就顯得十分必要。
《中國(guó)智造2025》的發(fā)布引起了廣泛的關(guān)注,其中有關(guān)機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)路線尤其令人關(guān)注,國(guó)家制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)戰(zhàn)略咨詢(xún)委員會(huì)組織專(zhuān)家解讀了系列綠皮書(shū),從工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、機(jī)器人國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家機(jī)器人檢測(cè)與評(píng)定中心四方面解讀了國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展重點(diǎn)與發(fā)展路徑,重點(diǎn)介紹了與人共融機(jī)器人,提出我國(guó)發(fā)展機(jī)器人的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[17]。共融機(jī)器人(Coexisting-Cooperative-Cognitive Robot, Tri-Co Robot)有三個(gè)要點(diǎn),即共存(Coexisting)、協(xié)作(Cooperative)與認(rèn)知(Cognitive),分別保證了機(jī)器人應(yīng)用的普遍性、機(jī)器人交互的協(xié)調(diào)性和機(jī)器人對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性,從而增強(qiáng)與作業(yè)環(huán)境、人及其它機(jī)器人之間的交互能力。王天然院士[18]認(rèn)為,人類(lèi)發(fā)明機(jī)器代替人勞動(dòng),不是要把自己排除在外,而是要和機(jī)器人共處。何玉慶[19]等人研究機(jī)器人發(fā)展新趨勢(shì),將傳統(tǒng)機(jī)器人特征歸納為:人機(jī)空間隔離、機(jī)器與人非接觸、預(yù)編程自主能力、示教盒/遙控器交互。而“與人共融”機(jī)器人的特征是:人機(jī)同一空間、機(jī)器人與人自然交互、配合人的需求、學(xué)習(xí)人的技能、與人協(xié)調(diào)互補(bǔ)、確保人機(jī)物安全。他們總結(jié)了共融機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù):(1)行為合作的機(jī)器人機(jī)構(gòu)與本體技術(shù);(2)機(jī)器人對(duì)環(huán)境、以及人行為的感知與理解技術(shù);(3)人機(jī)互助優(yōu)化決策與自主學(xué)習(xí)技術(shù);(4)行為方式與安全機(jī)制技術(shù);(5)人機(jī)自然交互技術(shù)。
丁漢[20]認(rèn)為:機(jī)器人將來(lái)的發(fā)展前景廣闊,這得益于人工智能、新材料以及應(yīng)用幾方面的技術(shù)快速發(fā)展。在智能制造核心技術(shù)中,一個(gè)是數(shù)字制造技術(shù),一個(gè)是傳感技術(shù)。機(jī)器人將來(lái)的核心問(wèn)題可能在三個(gè)方面:一個(gè)是機(jī)構(gòu),需要有這樣的順應(yīng)性;另一個(gè)是外感知,多模態(tài),機(jī)器人要對(duì)環(huán)境有認(rèn)知;還有一個(gè)是分布協(xié)調(diào)控制。這些都是支持我們改變機(jī)器人發(fā)展必不可少的一部分。
新浪科技總結(jié)了當(dāng)今科學(xué)家對(duì)2 100 年生活的十大預(yù)測(cè):能上網(wǎng)的隱形眼鏡、人體器官商店、讀心術(shù)、滅絕動(dòng)物復(fù)活、人類(lèi)與機(jī)器人融合、變形、建造星際飛船、戰(zhàn)勝癌癥、延緩衰老、太空電梯[21]。其中就有人機(jī)融合。當(dāng)然在智慧圖書(shū)館的建設(shè)中,人機(jī)共融的概念相對(duì)要窄一些,容易實(shí)現(xiàn)一些。目前,機(jī)器人的發(fā)展和以前相比有了新的需求,拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域和交互性(見(jiàn)表1)。
表1 機(jī)器人技術(shù)新需求
在智慧圖書(shū)館的建設(shè)中,基于RFID 芯片傳感器的應(yīng)用非常重要,以圖書(shū)館智能盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人為核心的拓展應(yīng)用應(yīng)該是智慧圖書(shū)館發(fā)展的一個(gè)方向,而機(jī)器人和人共融、機(jī)器人和圖書(shū)館空間共融、機(jī)器人和機(jī)器人之間的共融是研究的重點(diǎn)方向。
圖書(shū)館盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人依靠上下伸縮的讀卡器讀取圖書(shū)中間的RFID 芯片信息,來(lái)和數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì),獲得圖書(shū)的排架信息,判斷圖書(shū)冊(cè)數(shù)和排架正確與否,將盤(pán)點(diǎn)信息及時(shí)通過(guò)機(jī)器人上的屏幕、微信通知等方式展現(xiàn)出來(lái)。不少研究人員和機(jī)械設(shè)計(jì)人員在研究圖書(shū)自動(dòng)上架和抓取機(jī)械臂,朱曉霞[22]探討了圖書(shū)館智能化文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)、機(jī)械拾取手臂設(shè)計(jì)、機(jī)械手夾持器設(shè)計(jì)以及機(jī)械手整體設(shè)計(jì)案例,力圖為全面了解圖書(shū)館智能化機(jī)器人技術(shù)提供參考;馮銀花[23]提出智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng),通過(guò)給每本書(shū)分配物理地址、在地面設(shè)置二維碼,讓機(jī)器人在書(shū)庫(kù)中自主導(dǎo)航、自動(dòng)取書(shū),真正實(shí)現(xiàn)圖書(shū)的智能倉(cāng)儲(chǔ)。
機(jī)器人在書(shū)架間行走,依靠的是虛擬地圖,具有一定的局限性,如果格局變了就得重新構(gòu)建虛擬地圖。另外,環(huán)境的變化也妨礙會(huì)影響到它的工作,比如沙發(fā)、人的位置變化等。機(jī)器人與空間融合,就必須自己感知充電地點(diǎn)的改動(dòng)、書(shū)架的挪動(dòng)、沙發(fā)等擺放位置的改變,自適應(yīng)環(huán)境的變化,無(wú)須人為構(gòu)建地圖。如果機(jī)器人被移到另一個(gè)樓層,它應(yīng)該可以識(shí)別出新的環(huán)境,依靠RFID定位點(diǎn)或其他同層的機(jī)器人來(lái)定位自己,快速適應(yīng)工作,而不是像現(xiàn)在換了樓層,機(jī)器人并不知道發(fā)生了什么導(dǎo)致不能正常行走。
SLAM(同步定位與地圖構(gòu)建)是目前移動(dòng)機(jī)器人研究的重點(diǎn)課題之一。它是在無(wú)先驗(yàn)知識(shí)條件下,構(gòu)建高精度環(huán)境地圖模型,并實(shí)現(xiàn)高精度定位的重要技術(shù)手段[24]。盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人在自身位置不確定的情況下,在移動(dòng)的過(guò)程中需要能感知環(huán)境,并且根據(jù)位置估計(jì)和傳感器數(shù)據(jù)以及攝像頭等進(jìn)行自身定位,同時(shí)能夠建造增量式地圖,感知到整層樓中書(shū)架排放等環(huán)境,然后利用構(gòu)建的地圖進(jìn)行自主定位和導(dǎo)航。
現(xiàn)代化的圖書(shū)館基本都是大空間開(kāi)放式環(huán)境,服務(wù)于圖書(shū)館的盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人不止一臺(tái)。機(jī)器人之間應(yīng)該有很好的交互功能,就像蟻群之間通過(guò)觸角通訊一樣。不同的是,機(jī)器人之間主要是共享數(shù)據(jù)和位置信息,在機(jī)器人互相接觸的時(shí)候判斷對(duì)方來(lái)自什么區(qū)域,能及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換,進(jìn)行書(shū)本信息的狀態(tài)更新,以節(jié)省時(shí)間成本和自充電成本。
目前南京大學(xué)在研究智能書(shū)車(chē),即裝有RFID芯片和讀卡器的小車(chē)子,車(chē)子按圖書(shū)大類(lèi)簡(jiǎn)單區(qū)分,設(shè)置可以放置約100 本書(shū)。當(dāng)讀者在門(mén)口自助還書(shū)后,放入智能書(shū)車(chē),車(chē)子可以即時(shí)感知到書(shū)的信息、位置和已還狀態(tài)。當(dāng)擺滿后,能自助去到上架的館員身邊。如果盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人解決了機(jī)械臂上書(shū)問(wèn)題,智能書(shū)車(chē)就會(huì)自動(dòng)去尋找盤(pán)點(diǎn)上書(shū)機(jī)器人。
機(jī)器人和人的融合,一般指三種情況:(1)智能融合-通過(guò)人與機(jī)器人在感知、認(rèn)知、決策等不同層面上的互補(bǔ),提升人機(jī)共融系統(tǒng)的智能水平;(2)行為協(xié)調(diào)-在緊密接觸的情況下,人與機(jī)器人在行為上一致、協(xié)調(diào)、互助;(3)任務(wù)合作-在人機(jī)共享動(dòng)態(tài)環(huán)境下,人與機(jī)器人相互配合共同完成一個(gè)指定的任務(wù)。圖書(shū)館的智能盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人是工作人員的補(bǔ)充者,而不是完全替代者。盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人需要配合圖書(shū)管理人員的上書(shū)工作,比如及時(shí)提醒位置和狀態(tài),引導(dǎo)人員去在正確的地方上書(shū)。盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人可以感知周?chē)顒?dòng)的人,可以自動(dòng)讓路或停止等待等,更好的服務(wù)狀態(tài)是對(duì)于讀者夠不著的書(shū),接收讀者指令幫讀者取書(shū)。圖書(shū)館其他機(jī)器人可以通過(guò)RFID 類(lèi)的卡片(如學(xué)校用的一卡通)來(lái)識(shí)別讀者,給讀者以個(gè)性化的服務(wù):超期提醒、預(yù)約提醒、位置指引或者推薦圖書(shū)等功能。曾子明等人[25]從智慧圖書(shū)館的概念和特點(diǎn)出發(fā),提出融合情境感知的智慧圖書(shū)館個(gè)性化服務(wù)模型,分析該服務(wù)模式構(gòu)建方法,探討將情境感知運(yùn)用于智慧圖書(shū)館可能存在的問(wèn)題。因此,這種融合情景的機(jī)器人,是圖書(shū)館機(jī)器人的發(fā)展方向。
圖書(shū)整理、排序、盤(pán)點(diǎn)和找書(shū)是圖書(shū)館重要的業(yè)務(wù)。RFID 以其眾多的優(yōu)點(diǎn)被很多圖書(shū)館用來(lái)管理圖書(shū),但是在現(xiàn)行的RFID 技術(shù)下的圖書(shū)館整體解決方案中,圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)和解決錯(cuò)架是其中的難點(diǎn)。圖書(shū)館盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人的出現(xiàn)基本解決了這個(gè)難題,然而在新的需求下,特別是AI(人工智能)和IA(智能增強(qiáng))的發(fā)展對(duì)于共融的需求越來(lái)越多。情景融合型智慧圖書(shū)館中共融機(jī)器人的發(fā)展是趨勢(shì),也是新環(huán)境下的產(chǎn)物。