圖書館書籍精準定位引導機器人

謝超

(株洲長遠智造股份有限公司，湖南 株洲 412000)

1 概述

圖書管理系統(tǒng)屬于流動管理系統(tǒng)，圖書的整理與盤點是十分重要的一步。圖書館中的書會被有需要的人進行借閱瀏覽，若在館內(nèi)進行翻閱則會存在讀者使用后歸還錯書架的情況，若借出館外甚至還可能出現(xiàn)書籍受損或者丟失的意外，無論何種情況，圖書館內(nèi)的實際存書數(shù)目與館藏數(shù)據(jù)對應不上。這種情況的出現(xiàn)不僅影響圖書館的正常運用以及管理，也會影響到讀者的使用體驗。因此，定時并且快速清點館內(nèi)圖書是現(xiàn)階段圖書管理方面的一個亟需解決的問題。

智能圖書管理系統(tǒng)是智能和數(shù)字圖書館服務的全面集成。機器人技術為智能圖書館的發(fā)展帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。機器人技術可以應用于圖書館智能立體聲圖書館，書籍處理，小冊子，書籍自動訪問，書籍掃描，智能咨詢，遠程閱讀，特殊人口服務等，實施圖書館管理情報和服務智能，從根本上提升圖書館管理和服務的效率和質(zhì)量。

2 主要方案

研究提出了一種全新的取書的方案, 并將研制出一種高效率、節(jié)省人工、錯誤率低的全自動多功能圖書館取書機器人。機器人通過APP 界面從使用者處獲得相應的書籍信息，然后與圖書館數(shù)據(jù)庫建立連接，結(jié)合RFID 技術獲得書籍的具體位置信息，采用麥克納姆輪以提高機器人運動的靈活性，采用雷達實現(xiàn)無軌導航避障引導器人到達支架的位置，通過圖像識別判定書籍位置，結(jié)合步進電機驅(qū)動移動平臺使機械手小范圍的移動，進一步確定書的位置，然后通過步進電機結(jié)合插補算法精確控制實現(xiàn)機械臂的升降，利用機械手配合撥書手指完成取書。

3 關鍵技術

信息的完整讀取和精準定位。通過射頻識別技術與機器人結(jié)合可以幫助機器人獲取更多的信息，實現(xiàn)自動化智能化，以解決由于金屬書架、信號干擾、書籍厚薄情況等因素導致的讀取書籍信息和準確定位難的問題。

圖書的完好和穩(wěn)定取放。圖書館中各種類型的書籍厚薄情況不一，取書通過自適應手爪，根據(jù)書籍厚薄情況調(diào)整參數(shù)，以保證書籍的完好和穩(wěn)定取放。

自主定位與無軌導航。對于機器人的運動軌跡，為了使機器人能夠在館中完成清理圖書，清點圖書，尋找圖書的工作，采用激光雷達實現(xiàn)機器人自主定位與無軌導航。

機器視覺與人工智能。通過深度學習對書籍進行準確識別；采用ocr 文字識別及語義分析實現(xiàn)特殊人群閱讀服務；利用分類器對使用者數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)APP 中書單推薦等功能。

機器人的機械系統(tǒng)分為機械臂三軸移動平臺、底座運動機構以及執(zhí)行機構，這三者均由電機驅(qū)動模塊驅(qū)動。底座運動平臺包括安裝在平臺上的激光雷達，執(zhí)行機構包括攝像頭和結(jié)合了撥書手指的機械爪?？刂葡到y(tǒng)由STM32 與工控機構成，通過攝像頭控制系統(tǒng)與機械系統(tǒng)進行交互。

4 方案實現(xiàn)

4.1 底座運動平臺。針對圖書館緊湊的書架排列環(huán)境和取書需求，考慮到整個系統(tǒng)的平衡性和機動性，采用了麥克納姆輪作為驅(qū)動輪，相比于傳統(tǒng)的輪式機構，可以基本實現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑，能夠在圖書館狹小的館內(nèi)環(huán)境的靈活運動。具有運動平穩(wěn)、移動效率高和控制簡單的優(yōu)點。

麥克納姆輪是基于輪子中心輪的原理，并且成角度的外圍輪軸將車輪轉(zhuǎn)向力的一部分轉(zhuǎn)換為車輪方法。依賴于各個輪子的方向和速度，最終合成合成載體，從而確保該平臺可以在不改變其自己方向的情況下在最終協(xié)同載體的方向上自由地移動。

圖1 機器人實物照片

從滾輪速度到車輪速度的計算：

其中，uw表示輪子速度，u||表示沿輥子方向的速度，ux表示輪子軸心運動速度X軸分量，uy表示輪子軸心運動速度Y軸分量。

根據(jù)圖2 所示a 和b 的定義，有

圖2 麥克納姆輪運動分解圖

其中，utx表示X軸運動的速度，即左右方向，定義向右為正；uty表示Y軸運動的速度，即前后方向，定義向前為正；a 和b 分別代表輪子與軸心的橫向距離與縱向距離。

圖3 麥克納姆輪實物圖

綜上，可根據(jù)底盤運動狀態(tài)解算出四個輪子的轉(zhuǎn)速：

其中，ω 表示Y軸自轉(zhuǎn)的角速度，定義逆時針為正；uω1、uω2、u ω3和uω4分別表示四個輪子的轉(zhuǎn)速。

4.2 無軌導航。響應于圖書館室內(nèi)環(huán)境，使用LS TOF 激光雷達，并且在空間位置的位置平面的點云信息在二維平面中實時產(chǎn)生360 度，利用SLAM算法實現(xiàn)實時建圖、定位和導航功能。在測距處理期間，脈沖調(diào)制激光透射紅外激光信號，該激光信號被照射到目標對象，其由圖像采集處理系統(tǒng)由一組光學透鏡接收。在內(nèi)嵌信號處理模塊實時決定之后，從通信接口輸出目標對象的距離值和雷達，以及相對方位角值。隨著機械旋轉(zhuǎn)模塊的驅(qū)動，其高頻磁芯測距模塊將旋轉(zhuǎn)時鐘，從而實現(xiàn)360 度的掃描周圍環(huán)境。

4.3 圖書信息的獲取。目前大多數(shù)圖書館內(nèi)使用的是圖書碼是一維條碼，這種一維條碼僅對圖書進行標識,并沒有包含多少信息,若運用機器人進行精準管理，則需要獲取到更多的細節(jié)信息。并且，在掃描條碼的過程中，機器人勢必要進行無障礙的直接掃描條形碼，不然信息存在誤差。RFID標簽能夠在閱讀器的功用范圍內(nèi)被讀取可以有效防止障礙物遮擋導致的識別難題,同時還能夠消釋上磁、消磁及磁條磁性弱化等問題。

基于以上情況，將采用圖像識別技術進行書籍的識別工作，從而實現(xiàn)書籍快速準確抓取。

4.4 三軸移動平臺。針對機器人取書的實際情況，通過實際分析，為了實現(xiàn)對目標自動跟蹤定位，將采用三軸移動平臺。三軸是在三維立體空間的環(huán)境下，通過長、寬、高即X軸、Y軸、Z軸三個軸對物體進行控制和定位。針對三軸平臺精確定位和穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的需求，采用了直線差補算法配合三軸平臺進行取書操作。三軸運動平臺和線性插值算法的組合不僅可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性，而且可以實現(xiàn)負載的高速和精確定位。

4.5 圖像識別技術。因為圖書館室內(nèi)書籍眾多，提出一種解決方案：采用攝像頭獲取圖書圖像，經(jīng)過圖像處理從書籍中識別出目標書籍，獲取其位置信息，進而完成取書。

首先通過使用安裝在橫軸上的攝像頭捕獲圖像信息。再通過圖像處理獲取尋找目標書籍，機械爪移動到指定位置完成取書作業(yè)。圖4 為圖像采集流程，主要采用了Canny邊緣檢測邊緣信息，HSV顏色空間提取圖像書籍標簽，霍夫變換提取書籍輪廓的方法。

圖4 圖像采集流程

通過三軸移動平臺上的攝像頭獲取圖像利用上述算法進行處理。HSV顏色空間的模型對應于圓柱坐標系中的一個圓錐形子集。再對攝像頭捕捉圖像進行霍夫變換。

圖5 工作場景圖

5 應用前景

本圖書館機器人是針對大量密集型資料的精確、高效的查找機器人。目標市場以公共圖書館、高校圖書館、社區(qū)圖書館等機構為主。并與各類圖書館取得深度合作之后，可以各類圖書館為中心，打造一整套圖書館信息管理系統(tǒng)，將使用者納入其中，為使用者提供更加完善的服務。應用范圍可分為兩類:一類是一定規(guī)模以上的公共、高校、社區(qū)圖書館;另一類是規(guī)模較小的縣級以下公共圖書館，中小學圖書館以及社區(qū)圖書館。根據(jù)使用者人群以及需要的不同，機器人會在型號大小、外觀和功能設計上有一些差別。