無人化檔案館管理機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究

于淼 張穎 王棟 崔建偉

摘? 要：檔案是社會發(fā)展的活化石，是智慧企業(yè)的重要組成部分。近年來，檔案庫藏數(shù)量的快速增長與檔案管理、編研服務(wù)需求之間的矛盾十分突出。

關(guān)鍵詞：智能機(jī)器人;無人化檔案館;條形碼

中圖分類號：TP242? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）35-0015-03

Abstract： Archives are the living fossils of social development and an important part of smart enterprises. In recent years， the contradiction between the rapid growth of the number of archives and the demand for archives management and compilation and research services is increasingly prominent.

Keywords： intelligent robot; unmanned archives; bar code

1 概述

檔案工作是一項(xiàng)記錄歷史、傳承文明、服務(wù)社會、造福人民的事業(yè)，是一項(xiàng)黨和國家事業(yè)發(fā)展不可或缺的基礎(chǔ)性、支撐性工作，為企業(yè)和經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展作出了重要的貢獻(xiàn)。檔案館建設(shè)還是智慧城市建設(shè)的一部分，1994年在澳大利亞阿德萊德召開的信息通信自動化會議上首次提出“智慧城市”以來，作為智慧城市建設(shè)的一個組成部分，智慧檔案館的研究與建設(shè)備受檔案界重視，學(xué)術(shù)研究比較活躍。我國自2012年著手智慧城市建設(shè)以來，面向智慧檔案館的各項(xiàng)工作逐步展開和落實(shí)，并取得階段性成果。

2 檔案管理機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)

檔案機(jī)器人由移動底盤、升降臺和6DOF的輕型機(jī)械臂、條碼識別和RFID閱讀器組成。

2.1 無人化檔案館庫檔案定位及其盤點(diǎn)裝備的定位技術(shù)研究

智慧城市的首要問題是城市元素的定位，對檔案進(jìn)行準(zhǔn)確定位同樣是實(shí)現(xiàn)檔案自動化管理首先要解決的問題。此外，為實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人在館庫的自動行走，機(jī)器人本身也存在一個定位問題，定位技術(shù)還影響到機(jī)器人的總體設(shè)計方案。

目前已經(jīng)發(fā)展出多種成熟的城市目標(biāo)定位技術(shù)，如常用的北斗、GPS適合于室外目標(biāo)的定位;適合于室內(nèi)目標(biāo)的定位技術(shù)也有多種，如紅外定位、超聲波定位、WiFi定位、藍(lán)牙定位、超高頻和RFID定位、視覺定位等多種技術(shù)。這些定位技術(shù)已經(jīng)有應(yīng)用于圖書館機(jī)器人的報道。

研究已有定位技術(shù)并考慮檔案館的特點(diǎn)，提出如下機(jī)器人和檔案方案：

基于條碼和RFID技術(shù)，實(shí)現(xiàn)檔案定位到盒，盤點(diǎn)到件的目標(biāo)：

分析比較上述參考文獻(xiàn)幾種定位方法的原理、特點(diǎn)和性能，可以發(fā)現(xiàn)近場RFID定位技術(shù)作用距離可以控制，能在幾毫秒內(nèi)得到檔案的大致位置，同時從眾多檔案中獲取檔案的標(biāo)識信息，而且RFID標(biāo)簽的體積小，造價低，易于安裝，是目前最適合于檔案庫房內(nèi)檔案定位和識別的技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)檔案盒的精確定位，在每個檔案盒上粘貼檔案號條碼標(biāo)簽，就可以實(shí)現(xiàn)檔案盒相對于機(jī)器人的坐標(biāo)定位、以及檔案盒在架體的相對順序定位。

2.2 機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動方程求解

目前市場上已經(jīng)有多種輕型機(jī)械臂供選擇，這些機(jī)械臂多參考了丹麥UR機(jī)器人的構(gòu)形，本項(xiàng)目也采用這種機(jī)械臂，但針對檔案機(jī)器人的特點(diǎn)作了適當(dāng)調(diào)整。如：針對原機(jī)械臂外形尺寸偏大，修改了機(jī)械臂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使外形尺寸變“細(xì)”，避免了圖2中的第二關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)180°時與第一關(guān)節(jié)的干涉，相應(yīng)地擴(kuò)大了機(jī)械臂的操作空間;又如：將小臂連桿長度359.8（如圖中虛線所示）加長至545.8，避免了小臂連桿與其它關(guān)節(jié)間的干涉。

機(jī)械臂自身座標(biāo)系中的DH運(yùn)動方程是：

式中，θi表示各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，di表示各關(guān)節(jié)連桿長度，分別在圖2中標(biāo)出。對于給定的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，機(jī)械臂末端的位姿矩陣由下式給出：

由于檔案架各層高度是確定的，實(shí)際調(diào)試時無須求出運(yùn)動方程的逆解，而是采用試算和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的方法得到機(jī)械臂盤點(diǎn)時的關(guān)節(jié)變量參數(shù)。試算的優(yōu)化約束條件是：

條件1：機(jī)器人的重心坐標(biāo)離車體幾何中心最近。

條件2：機(jī)械臂的所有部位占據(jù)的X方向尺寸最小。

試算結(jié)果如表1所示。

2.3 系統(tǒng)集成

檔案機(jī)器人是復(fù)雜的機(jī)電一體化設(shè)備，有多種電氣設(shè)備，因此設(shè)計多總線集成控制系統(tǒng)。

移動機(jī)器人模塊的驅(qū)動系統(tǒng)主要由四臺空心杯電機(jī)驅(qū)動四個行走輪（麥克納姆輪）實(shí)現(xiàn)檔案館庫內(nèi)的平行移動，每臺電機(jī)上都有一個增量式編碼器用以測量行走輪的行走速度，并用來估算位移，四臺電機(jī)接入一個六軸控制器。移動機(jī)器人安裝有48V25AH鋰電池供電，電源管理系統(tǒng)包括電流保護(hù)開關(guān)、12V、5VDC-DC電源變換器可以給移動機(jī)器人的內(nèi)部測控設(shè)備供電，并設(shè)有電壓——電量檢測功能，用于管控電池電量和電量補(bǔ)充管理;導(dǎo)航傳感器陣列由IIC總線連接。驅(qū)動、電源管理、導(dǎo)航三大系統(tǒng)通過CAN總線接入移動機(jī)器人的微控制器，微控制器通過RS232總線與機(jī)器人控制計算機(jī)連接。

機(jī)械臂模塊的六個關(guān)節(jié)采用模塊化設(shè)計，關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)之間通過CAN總線連接至機(jī)器人的控制計算機(jī)，由控制計算機(jī)上的機(jī)械臂控制軟件直接控制每個關(guān)節(jié)?？梢钥闯觯苿訖C(jī)器人、機(jī)械臂關(guān)節(jié)都視同CAN總線的一個節(jié)點(diǎn)。

盤點(diǎn)儀器有條碼識別和RFID識別兩個模塊，由機(jī)械臂末端關(guān)節(jié)供電。由于盤點(diǎn)檔案時通訊速率很高，為了避免總線阻塞引起機(jī)械臂的誤動作，通過藍(lán)牙總線與控制計算機(jī)通訊。

機(jī)器人的控制計算機(jī)還通過WiFi總線與監(jiān)控室的檔案庫管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連接，用于接受盤點(diǎn)指令、下載授權(quán)檔案管理信息、并上傳檔案定位盤點(diǎn)結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)情況

完成的系統(tǒng)在江蘇省電力公司的檔案庫進(jìn)行了功能實(shí)驗(yàn)，場景如圖1所示。該檔案庫為江蘇省公司新建的檔案館，南北距離約40米，東西約25米，中間過道寬約3米，完全采用電動密集架管理檔案，電動密集架的動作完全受控于監(jiān)控室。

密集架分為AB（東西向）兩個區(qū)，每個區(qū)又分為1-4個小區(qū)，共8個小區(qū)。每個區(qū)的密集架數(shù)量不等。每個密集架長度為10米，又有前后兩側(cè)。每層密集架分為6層，總高度2.4米，每層又分為11節(jié)，每節(jié)寬度約0.9米。相鄰兩個架體間的通道寬度僅0.8米，與機(jī)器人0.6米的寬度相比，顯得十分狹窄。

在庫區(qū)的所有工作通道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，機(jī)器人均可安全通過。其中機(jī)器人在中間主過道的速度為0.6米/秒，接近人行走的速度;在工作區(qū)的速度視工作情況不同，以適合盤點(diǎn)儀器的工作能力為準(zhǔn)。表明機(jī)器人的導(dǎo)航定位能力是有保證的。

在AB兩側(cè)架區(qū)內(nèi)各選擇了4個架面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，機(jī)器人完全可以以工作姿態(tài)通過工作區(qū)，表明機(jī)器人有狹窄區(qū)間內(nèi)完成作業(yè)的能力。

在實(shí)驗(yàn)區(qū)分別放置了單件檔案盒和多件檔案盒。其中多件盒按5、10、15、20、25、30、50的密度各放滿一節(jié)檔案架，機(jī)器人可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)按盒定位、按件盤點(diǎn)的功能。

還通過人為擺放檔案，進(jìn)行了丟件、錯件、錯位實(shí)驗(yàn)，盤點(diǎn)報表均可反應(yīng)相關(guān)結(jié)果，也表明機(jī)器人具有錯件查找能力。

4 結(jié)束語

從2018年5月初開始研發(fā)盤點(diǎn)機(jī)器人，共完成了兩代機(jī)器人的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了檔案的自動化盤點(diǎn)，從實(shí)體檔案的密度看，有些2厘米厚的檔案盒內(nèi)裝了100多件技術(shù)圖紙，相當(dāng)于有100多件檔案，盤點(diǎn)儀器還不能勝任如此密度情形下的按份盤點(diǎn)任務(wù)，表明盤點(diǎn)儀器的性能仍然有進(jìn)一步提高的必要。另一方面，也有8厘米厚的檔案盒內(nèi)僅有裝訂成冊的1厚本檔案，相當(dāng)于僅有1件檔案，也表明，為了實(shí)現(xiàn)無人化檔案館管理，也有必要從檔案管理角度規(guī)范分冊管理標(biāo)準(zhǔn)。

此外，為了便于實(shí)體檔案的調(diào)閱，還應(yīng)當(dāng)積極研發(fā)檔案存取機(jī)器人。目前正在完成自動存取機(jī)器人的研發(fā)。

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