智能圖書(shū)分類機(jī)器人模型研究與設(shè)計(jì)*

陳黃飛，劉銳華，陳彩艷

(廣東工業(yè)大學(xué) 華立學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 增城 511325)

圖書(shū)館的藏書(shū)眾多，即使是小型圖書(shū)館也會(huì)有上萬(wàn)種藏書(shū)，多則是百萬(wàn)種藏書(shū)，所以如何管理圖書(shū)是一個(gè)圖書(shū)館的首要問(wèn)題。圖書(shū)館每天的人流量非常多，無(wú)論是圖書(shū)管理還是讀者管理都具有非常大的壓力，管理好圖書(shū)館需要對(duì)圖書(shū)進(jìn)行分類保護(hù)，也方便讀者尋找書(shū)籍和文獻(xiàn)。既然每天有很大的人流量，必然會(huì)有很多圖書(shū)會(huì)被弄混，為了讓明天的讀者找到那些被弄混的書(shū)籍，圖書(shū)管理員需要將它們進(jìn)行歸位，這將是一個(gè)非常大的工作量，這時(shí)圖書(shū)分類機(jī)器人就有了存在的意義，它可以將那些被弄混的書(shū)籍進(jìn)行識(shí)別，然后準(zhǔn)確定位并將書(shū)籍放置到指定位置。為解決高校圖書(shū)館管理員過(guò)高的勞動(dòng)強(qiáng)度和效率低下的問(wèn)題，將智能機(jī)器人應(yīng)用到高校圖書(shū)館的日常管理中已經(jīng)成為當(dāng)前圖書(shū)館研究的熱門(mén)問(wèn)題[1-2]。本文作者設(shè)計(jì)了一種六自由度的圖書(shū)分類機(jī)器人，通過(guò)紅外線掃描找到被弄混的書(shū)籍，然后放置在指定的位置。

1 智能機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為使控制傳動(dòng)部分簡(jiǎn)化，機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，蝸輪蝸桿傳動(dòng)可使整個(gè)機(jī)械臂無(wú)死角360°旋轉(zhuǎn)；還能通過(guò)與小齒輪觸碰的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的精確控制，這對(duì)后續(xù)對(duì)書(shū)籍的精準(zhǔn)擺放具有很大幫助；轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，齒輪較大，可承受整個(gè)機(jī)械臂的重量。轉(zhuǎn)動(dòng)部分是機(jī)械臂多個(gè)自由度中較重要的部分，其設(shè)計(jì)過(guò)程也是整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中較重要的一環(huán)。

六軸智能機(jī)器人有6個(gè)軸，每個(gè)軸的傳動(dòng)都需要一臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)配備減速機(jī)，伺服電動(dòng)機(jī)的選型尤為重要，六軸智能機(jī)器人的6個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)方向及運(yùn)動(dòng)方式都不相同，每個(gè)軸就像是在模擬手的關(guān)節(jié)動(dòng)作[3]。

1)一軸是連接底座的部位，主要是底座左右無(wú)死角旋轉(zhuǎn)和承載整體的重量，左右無(wú)死角旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作是使用伺服電動(dòng)機(jī)配減速機(jī)傳動(dòng)的結(jié)果，每個(gè)軸都代替一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)方式。

2)二軸控制機(jī)器人主臂上下運(yùn)動(dòng)擺動(dòng)、整個(gè)主臂前后擺動(dòng)的功能。

3)三軸同樣是控制機(jī)器人前后擺動(dòng)功能，只是比二軸的擺臂范圍小。

4)四軸是控制機(jī)器人上面的圓形管部分可自由旋轉(zhuǎn)的部位，活動(dòng)范圍相當(dāng)于人的小臂，不過(guò)不是360°旋轉(zhuǎn)，跟人的小臂的范圍相同。

5)五軸通常是當(dāng)產(chǎn)品抓取后可以使產(chǎn)品翻轉(zhuǎn)的動(dòng)作，控制微調(diào)的上下翻轉(zhuǎn)。

6)六軸可以360°旋轉(zhuǎn)，是末端法蘭部分旋轉(zhuǎn)功能。

通過(guò)對(duì)智能機(jī)器人機(jī)械手六軸的設(shè)計(jì)，可自由方便地利用編程實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的靈活運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)角度可達(dá)到任何一個(gè)角落，實(shí)現(xiàn)智能控制、精準(zhǔn)分類的目的。智能圖書(shū)分類機(jī)器人模型整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)器人模型整體結(jié)構(gòu)圖

1.1 機(jī)械臂底座機(jī)構(gòu)

機(jī)械臂底座機(jī)構(gòu)如圖2所示，主要由固定底座、底盤(pán)旋轉(zhuǎn)渦輪、電動(dòng)機(jī)等組成，六軸機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，6個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)直接通過(guò)減速器、同步帶輪等驅(qū)動(dòng)6個(gè)關(guān)節(jié)軸的旋轉(zhuǎn)。固定底座與移動(dòng)小車(chē)同步滑行，即底座固定在小車(chē)上，由小車(chē)載著機(jī)械臂行駛。電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力來(lái)源，本設(shè)計(jì)選定直流伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。伺服電動(dòng)機(jī)也稱為舵機(jī)，此機(jī)械臂由多個(gè)舵機(jī)通過(guò)連接件將其連接成可以無(wú)死角360°旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)裝置，并在機(jī)械臂上裝有紅外模塊，對(duì)抓取書(shū)籍也設(shè)計(jì)了相對(duì)應(yīng)的機(jī)械爪，防止機(jī)械爪在抓取的過(guò)程中損壞書(shū)籍，機(jī)械臂固定在運(yùn)動(dòng)模塊上裝在小車(chē)上。這種機(jī)械設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)靈活，操作簡(jiǎn)單[4-5]。

圖2 機(jī)械臂底座機(jī)構(gòu)

1.2 底盤(pán)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

底盤(pán)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖3所示。底盤(pán)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)初步選定直流伺服電動(dòng)機(jī)。底盤(pán)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載為底盤(pán)旋轉(zhuǎn)渦輪、大機(jī)械臂、連桿伺服電動(dòng)機(jī)、旋轉(zhuǎn)臂伺服電動(dòng)機(jī)、機(jī)械爪、連桿機(jī)構(gòu)和圖書(shū)的質(zhì)量之和?？傎|(zhì)量≤85 kg，設(shè)底盤(pán)旋轉(zhuǎn)渦輪摩擦因數(shù)為0.3，移動(dòng)速度為0.3 m/s，則底盤(pán)旋轉(zhuǎn)渦輪驅(qū)動(dòng)力為：

圖3 底盤(pán)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)圖

F1=μmg=0.3×85×10=255 (N)

底盤(pán)旋轉(zhuǎn)渦輪最大驅(qū)動(dòng)率為：

P1=F1V=255×0.3=76.5 (W)

假定機(jī)械系統(tǒng)的傳動(dòng)效率為0.8，則電動(dòng)機(jī)的最大功率為：

Pmax=P1/0.8=95.7 (W)

1.3 大機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

大機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖4所示。連桿伺服電動(dòng)機(jī)初步選定直流伺服電動(dòng)機(jī)。連桿伺服電動(dòng)機(jī)的負(fù)載為大機(jī)械臂、小機(jī)械臂伺服電動(dòng)機(jī)、機(jī)械爪、連桿機(jī)構(gòu)和圖書(shū)的質(zhì)量之和?？傎|(zhì)量≤80 kg，設(shè)底盤(pán)旋轉(zhuǎn)渦輪摩擦因數(shù)為0.3，移動(dòng)速度為0.3 m/s，則底盤(pán)旋轉(zhuǎn)渦輪驅(qū)動(dòng)力為：

圖4 大機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)圖

F1=μmg=0.3×80×10=240 (N)

底盤(pán)旋轉(zhuǎn)渦輪最大驅(qū)動(dòng)率為：

P1=F1V=240×0.3=72 (W)

假定機(jī)械系統(tǒng)的傳動(dòng)效率為0.8，則電動(dòng)機(jī)的最大功率為：

Pmax=P1/0.8=90 (W)

1.4 小機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

小機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖5所示。旋轉(zhuǎn)伺服電動(dòng)機(jī)初步選定直流伺服電動(dòng)機(jī)。旋轉(zhuǎn)伺服電動(dòng)機(jī)的負(fù)載為小機(jī)械臂伺服電動(dòng)機(jī)、機(jī)械爪、圖書(shū)的質(zhì)量之和[6]?？傎|(zhì)量≤40 kg，設(shè)底盤(pán)旋轉(zhuǎn)渦輪摩擦因數(shù)為0.3，移動(dòng)速度為0.3 m/s，則底盤(pán)旋轉(zhuǎn)渦輪驅(qū)動(dòng)力為：

圖5 小機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)圖

F1=μmg=0.3×40×10=120 (N)

底盤(pán)旋轉(zhuǎn)渦輪最大驅(qū)動(dòng)率為：

P1=F1V=120×0.3=36 (W)

假定機(jī)械系統(tǒng)的傳動(dòng)效率為0.8，則電動(dòng)機(jī)的最大功率為：

Pmax=P1/0.8=45 (W)

綜上可得各驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能參數(shù)

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在控制系統(tǒng)中，合理選擇開(kāi)發(fā)平臺(tái)不但能夠提高運(yùn)算效率，還可以降低處理器的功耗。筆者選擇的是VS Code開(kāi)發(fā)環(huán)境，并采用C++編程語(yǔ)言，C++語(yǔ)言功能強(qiáng)大，也很適合用來(lái)控制機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)；選用K210處理器的開(kāi)發(fā)板套件，該處理器性能不差，成本不高，功耗低，基本上是集大多數(shù)處理器優(yōu)點(diǎn)于一身，很適合人工智能的開(kāi)發(fā)，內(nèi)置獨(dú)立的CNN卷積神經(jīng)網(wǎng)路運(yùn)算單元，處理速度也比較快，主頻最高可以達(dá)到600 MHz，并且自帶麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器和攝像頭[7]。

2.1 技術(shù)關(guān)鍵

圖書(shū)智能分類機(jī)器人中，最重要的就是它的一雙“眼睛”——視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)，這是機(jī)器人識(shí)別待分類書(shū)籍集中區(qū)的書(shū)籍的關(guān)鍵，通過(guò)識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別到的數(shù)據(jù)，傳送到機(jī)器爪的控制系統(tǒng)和小車(chē)移動(dòng)的控制系統(tǒng)，以便能夠準(zhǔn)確地將書(shū)籍識(shí)別出來(lái)，將書(shū)籍分到不同的書(shū)架上。如何提高視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的準(zhǔn)確率是智能識(shí)別的關(guān)鍵，也是機(jī)器人完成圖書(shū)分類的關(guān)鍵。

2.2 控制流程

圖像識(shí)別的基本流程如圖6所示。

圖6 圖像識(shí)別的基本流程

1)識(shí)別系統(tǒng)：首先讓機(jī)器識(shí)別書(shū)籍或者書(shū)籍編碼，然后對(duì)圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并且確定獲取所需要圖像的數(shù)據(jù)的手段[8]，通過(guò)圖像預(yù)處理消除背景噪聲、光照、小車(chē)運(yùn)動(dòng)造成的書(shū)籍編碼模糊等實(shí)際應(yīng)用影響，更好地提取有用的信息，最大限度地簡(jiǎn)化需要的數(shù)據(jù)；在讀取圖像后則是對(duì)書(shū)籍編碼的提取，根據(jù)書(shū)籍上貼的編碼進(jìn)行提取[9-10]，增加識(shí)別的精度；最后對(duì)書(shū)籍編碼的信息進(jìn)行處理和分析。該模型采用掃描編碼法，首先機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到書(shū)籍堆放處，對(duì)書(shū)籍編碼進(jìn)行掃描，掃描的信息傳送到系統(tǒng)處理器，就會(huì)得到書(shū)籍的所有信息。識(shí)別中的函數(shù)為：

void QZ() //對(duì)圖像進(jìn)行去噪處理

void ErZhiHua() //用二次定值法對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理

void OnShibie() //對(duì)最后處理過(guò)的圖像進(jìn)行識(shí)別

2)小車(chē)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)：裝載小車(chē)的運(yùn)動(dòng)是此機(jī)器人功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵之一，機(jī)械臂裝載在小車(chē)上，當(dāng)機(jī)械臂識(shí)別到書(shū)籍、確定書(shū)籍所在的書(shū)架、并將書(shū)架的位置信息傳到小車(chē)的控制系統(tǒng)時(shí)，小車(chē)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，小車(chē)根據(jù)圖書(shū)館書(shū)架的位置圖，迅速得出到達(dá)該書(shū)架的最近方案，在小車(chē)的行駛方向裝一個(gè)紅外傳感器，使小車(chē)在移動(dòng)過(guò)程中能避開(kāi)障礙物[11]。

3)六軸機(jī)械爪運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)[12]：剛開(kāi)始采用固定運(yùn)動(dòng)模式，即機(jī)械爪在待處理書(shū)籍的箱子處進(jìn)行掃描，直到掃描到待處理書(shū)籍的箱子有書(shū)籍為止，利用機(jī)械爪邊緣的紅外線掃描裝置進(jìn)行掃描，掃描書(shū)籍編碼，把掃描到的信息傳送給單片機(jī)處理器，處理器迅速得到書(shū)籍信息后，再與機(jī)械爪控制模塊和裝載小車(chē)的控制模塊通信，使機(jī)器人能夠抓取書(shū)籍按指定的位置移動(dòng)，到達(dá)書(shū)籍的指定書(shū)架所在處，到達(dá)指定地點(diǎn)后，機(jī)械爪再次開(kāi)始動(dòng)作，把夾取的書(shū)籍放到指定書(shū)架上，機(jī)械爪復(fù)位。完成一類圖書(shū)的分類整理，重新掃描，準(zhǔn)備分類整理另一類圖書(shū)，重復(fù)上述工作流程即可。具體控制流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)控制流程圖

3 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用SolidWorks軟件創(chuàng)建圖書(shū)分類機(jī)器人模型，分析各結(jié)構(gòu)的承載力及電動(dòng)機(jī)參數(shù)，選取最佳材料來(lái)搭建圖書(shū)分類機(jī)器人；應(yīng)用ADAMS軟件對(duì)圖書(shū)分類機(jī)器人進(jìn)行仿真調(diào)試。在此基礎(chǔ)上對(duì)圖書(shū)分類機(jī)器人進(jìn)行可行性分析，滿足現(xiàn)代圖書(shū)館的需求，從而減少圖書(shū)管理員的工作量，同時(shí)也提高了對(duì)圖書(shū)管理員的要求。設(shè)計(jì)的智能圖書(shū)分類機(jī)器人系統(tǒng)模型成本低，操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可快速精準(zhǔn)地進(jìn)行圖書(shū)分類整理，在實(shí)際生活中可廣泛應(yīng)用。