基于激光SLAM還書(shū)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

馮 崇， 魯 欣， 齊 波， 董洪超， 李龍言

(洛陽(yáng)理工學(xué)院 智能制造學(xué)院， 河南 洛陽(yáng) 471023)

2017年，我國(guó)頒布了第一部圖書(shū)館專(zhuān)門(mén)法《中華人民共和國(guó)公共圖書(shū)館法》，旨在“提高公民科學(xué)文化素質(zhì)和社會(huì)文明程度，傳承人類(lèi)文明，堅(jiān)定文化自信”，為促進(jìn)全民閱讀，提高公民社會(huì)科學(xué)文化素養(yǎng)提供了有力保障。2021年國(guó)務(wù)院發(fā)布了《全民科學(xué)素質(zhì)行動(dòng)規(guī)劃綱要(2021—2035年)》，主要目的是提高全民科學(xué)素質(zhì)服務(wù)高質(zhì)量發(fā)展[1]，進(jìn)一步加強(qiáng)化圖書(shū)館的教育職能[2]，體現(xiàn)圖書(shū)館在提高全民科學(xué)文化素養(yǎng)中的重要地位。由此可見(jiàn)，圖書(shū)館閱讀在未來(lái)將會(huì)成為大趨勢(shì)，圖書(shū)館建設(shè)必將朝著智能化的方向發(fā)展。張鏡輝[3]根據(jù)圖書(shū)館還書(shū)、分揀、搬運(yùn)等流程，構(gòu)建了圖書(shū)館AGV智能分揀系統(tǒng)。錢(qián)海鋼[4]利用NFC技術(shù)，研究了自助借書(shū)、還書(shū)的移動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)。江波[5]將RFID技術(shù)與移動(dòng)圖書(shū)館系統(tǒng)深度融合，構(gòu)建了具有創(chuàng)新性的圖書(shū)館管理系統(tǒng)。目前，我國(guó)已建造許多智能化圖書(shū)館，但因各種條件限制，不能完全普及，傳統(tǒng)圖書(shū)館仍占較大比例。傳統(tǒng)圖書(shū)館運(yùn)營(yíng)中存在的最主要問(wèn)題是書(shū)籍的歸類(lèi)擺放。人工擺放需要圖書(shū)管理員將書(shū)籍逐本分類(lèi)，再尋找對(duì)應(yīng)的書(shū)架，按書(shū)籍對(duì)應(yīng)的序號(hào)擺放到指定位置，這個(gè)過(guò)程錯(cuò)誤率高、效率較低，耗費(fèi)大量勞動(dòng)力。本文設(shè)計(jì)了一種基于激光雷達(dá)同步定位與地圖構(gòu)建(SLAM)的還書(shū)機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化還書(shū)，并且可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行進(jìn)過(guò)程中最優(yōu)路徑的規(guī)劃。

1 還書(shū)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)還書(shū)機(jī)器人時(shí)，需要考慮靈活性、還書(shū)需求、適應(yīng)圖書(shū)館環(huán)境、書(shū)本重量等一系列因素。機(jī)器人主要由移動(dòng)底盤(pán)、書(shū)籍運(yùn)送裝置、末端還書(shū)裝置、剪型升降臺(tái)及相關(guān)傳感器等部分組成，如圖1所示。

圖1 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)器人通過(guò)麥克納姆輪移動(dòng)底盤(pán)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，麥克納姆輪可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在任意方向上的移動(dòng)，以及機(jī)器人的自身旋轉(zhuǎn)[6]。機(jī)器人利用激光SLAM定位，達(dá)到運(yùn)輸書(shū)籍并放置的目的。使用激光雷達(dá)SLAM導(dǎo)航具有一定的優(yōu)越性，如解析度高、測(cè)距精度高、抗有源干擾能力強(qiáng)等[7]。主要完成工作：

(1)對(duì)機(jī)器人速度、位置進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在圖書(shū)館內(nèi)全方位運(yùn)動(dòng)。

(2)利用控制系統(tǒng)進(jìn)行圖書(shū)館地圖環(huán)境構(gòu)建，在機(jī)器人行進(jìn)過(guò)程中，檢測(cè)并自動(dòng)避開(kāi)地圖環(huán)境標(biāo)記的障礙物，智能規(guī)劃到達(dá)指定位置的最佳路徑。

(3)保證書(shū)籍平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng)到指定高度的書(shū)架前，控制機(jī)器人末端執(zhí)行器夾取書(shū)籍，將書(shū)籍平穩(wěn)放置到指定位置。

1.2 工作原理

(1)開(kāi)始工作之前，在人工幫助下對(duì)圖書(shū)館內(nèi)的工作環(huán)境進(jìn)行地圖構(gòu)建，還書(shū)機(jī)器人可依據(jù)環(huán)境地圖進(jìn)行路徑規(guī)劃，計(jì)算出最優(yōu)路徑。

(2)工作過(guò)程中，書(shū)箱內(nèi)的掃描器對(duì)需還書(shū)籍進(jìn)行識(shí)別，獲取書(shū)籍所在書(shū)架位置信息，還書(shū)機(jī)器人依據(jù)環(huán)境地圖和傳感器數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航避障，到達(dá)書(shū)籍所在書(shū)架位置，利用推書(shū)臺(tái)將書(shū)籍推到升降臺(tái)上，升降臺(tái)載著末端夾取裝置上升到指定高度，末端夾取裝置將書(shū)籍放置在指定的書(shū)架上。

(3)完成存放書(shū)籍后，機(jī)器人收回書(shū)架，升降臺(tái)恢復(fù)初始狀態(tài)。還書(shū)機(jī)器人書(shū)箱內(nèi)的掃描器繼續(xù)掃描下一本書(shū)籍，開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)過(guò)程。

1.3 車(chē)架本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

還書(shū)機(jī)器人車(chē)架本體主要包括底盤(pán)、激光雷達(dá)、視覺(jué)裝置、可拆卸書(shū)箱及自動(dòng)充電裝置5個(gè)部分構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 車(chē)架本體結(jié)構(gòu)示意圖

由于圖書(shū)館工作環(huán)境的特殊性，常規(guī)運(yùn)動(dòng)方式會(huì)限制機(jī)器人的轉(zhuǎn)向及工作范圍。為了提高機(jī)器人工作效率，達(dá)到精準(zhǔn)控制機(jī)器人移動(dòng)的目的，采用開(kāi)環(huán)可控步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)麥克納姆輪。在機(jī)器人的移動(dòng)過(guò)程中，用控制機(jī)器人行進(jìn)速度的方式來(lái)達(dá)到對(duì)機(jī)器人精準(zhǔn)控制的目的。麥克納姆輪與步進(jìn)電機(jī)連接構(gòu)成移動(dòng)裝置，能夠在圖書(shū)館狹小的運(yùn)行區(qū)域全方位運(yùn)動(dòng)。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度的實(shí)時(shí)控制，利用慣導(dǎo)IMU六軸陀螺儀對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、加速度、角速度等信息進(jìn)行記錄反饋。為了使機(jī)器人系統(tǒng)具有一定的魯棒性，更加適應(yīng)圖書(shū)館的工作環(huán)境，采用激光雷達(dá)與視覺(jué)裝置配合來(lái)實(shí)現(xiàn)圖書(shū)館環(huán)境的地圖構(gòu)建及精確定位。可拆卸書(shū)箱便于進(jìn)行書(shū)籍按批更換與書(shū)箱部件的維修，以滿(mǎn)足運(yùn)送多本書(shū)籍的設(shè)計(jì)要求。自動(dòng)充電裝置可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人所剩電量，電量不足時(shí)及時(shí)自主充電。

1.4 運(yùn)書(shū)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)書(shū)機(jī)構(gòu)主要由支撐框架、推書(shū)臺(tái)等構(gòu)成，如圖3所示。運(yùn)書(shū)機(jī)構(gòu)的主要作用為存放書(shū)籍。機(jī)器人車(chē)架與運(yùn)書(shū)機(jī)構(gòu)的底板之間裝有直線(xiàn)導(dǎo)軌，直線(xiàn)導(dǎo)軌與底板上的空隙對(duì)應(yīng)。與直線(xiàn)導(dǎo)軌平行安裝有絲桿螺母副，螺母與推書(shū)臺(tái)結(jié)合器相連接。還書(shū)機(jī)構(gòu)工作時(shí)，電機(jī)控制絲桿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，螺母帶動(dòng)推書(shū)臺(tái)進(jìn)行移動(dòng)，將書(shū)籍移動(dòng)到指定位置，配合升降臺(tái)和推書(shū)結(jié)構(gòu)完成書(shū)籍的放置。

圖3 運(yùn)書(shū)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

1.5 升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

升降臺(tái)主要由導(dǎo)軌、電機(jī)及升降桿構(gòu)成(如圖4所示)，屬于剪刀式升降臺(tái)，在豎直方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。剪型結(jié)構(gòu)使機(jī)器人結(jié)構(gòu)更加緊湊，占據(jù)空間小，承重大，伸縮性好。升降臺(tái)安裝在機(jī)器人車(chē)架上，升降臺(tái)上方設(shè)有推書(shū)結(jié)構(gòu)。機(jī)器人處于不工作狀態(tài)時(shí)，升降臺(tái)處于初始位置(收緊狀態(tài))，當(dāng)有書(shū)籍需要放置時(shí)，電機(jī)控制升降臺(tái)到達(dá)指定位置，配合推書(shū)裝置完成目標(biāo)任務(wù)。

圖4 升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

1.6 推書(shū)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

推書(shū)機(jī)構(gòu)主要由推書(shū)導(dǎo)軌、電機(jī)、支撐板以及推板構(gòu)成，如圖5所示。為了滿(mǎn)足機(jī)器人末端執(zhí)行器平穩(wěn)地將書(shū)籍放置到指定位置的要求，采用螺紋絲杠結(jié)構(gòu)，使機(jī)械手爪方便在Y軸對(duì)書(shū)籍進(jìn)行抓取。推書(shū)機(jī)構(gòu)位于升降臺(tái)頂部，通過(guò)滑座與絲桿相連接。

圖5 推書(shū)結(jié)構(gòu)示意圖

2 關(guān)鍵零部件有限元仿真

運(yùn)用有限元思想，對(duì)剪型升降機(jī)構(gòu)滑塊進(jìn)行應(yīng)力分析，如圖6和圖7所示。由圖6可知，零件的應(yīng)力分布不均勻，應(yīng)力較大的位置出現(xiàn)在滑塊與升降桿連接部位的下側(cè)，最大靜應(yīng)力為2.774 Pa。由圖7可知，滑塊表面的最大應(yīng)力為2.774 Pa，最小應(yīng)力為1.414×10-4Pa。在機(jī)器人實(shí)物制作過(guò)程中，選擇1345鋁合金，屈服強(qiáng)度為27 574.2 MPa，大于滑塊上最大靜應(yīng)力，符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 應(yīng)力分析

圖7 靜應(yīng)力分析

3 控制方案設(shè)計(jì)

(1)利用步進(jìn)電機(jī)控制麥克納姆輪進(jìn)行移動(dòng)，機(jī)器人能夠達(dá)到指定位置。

(2)利用舵機(jī)控制機(jī)器人末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)，更加準(zhǔn)確地抓取書(shū)籍。

(3)利用步進(jìn)電機(jī)控制剪式升降臺(tái)運(yùn)動(dòng)，完成書(shū)籍入庫(kù)動(dòng)作。

(4)利用ROS進(jìn)行軌跡規(guī)劃，進(jìn)行上位機(jī)控制。使用STM32進(jìn)行下位機(jī)控制。上位機(jī)在Ubuntu18.04系統(tǒng)下搭載ROS Melodic機(jī)器人操作系統(tǒng)，下位機(jī)使用STM32F103處理芯片來(lái)獲取和處理底層邏輯信息并及時(shí)反饋，實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)任務(wù)高效穩(wěn)定運(yùn)行。

控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖8所示。

圖8 還書(shū)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件

為建立機(jī)器人在移動(dòng)過(guò)程中底盤(pán)坐標(biāo)系、激光雷達(dá)坐標(biāo)系等三維坐標(biāo)系間的聯(lián)系，利用TF-Tree來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在地圖中的定位以及建立各節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)。TF可以將這些不同的坐標(biāo)系以樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的形式儲(chǔ)存起來(lái)，時(shí)刻記錄這些坐標(biāo)系之間的關(guān)系。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中利用TF來(lái)實(shí)現(xiàn)不同坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換[8]。各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)話(huà)題實(shí)現(xiàn)信息交互，如圖9所示。

圖9 節(jié)點(diǎn)通信圖

3.1 麥克納姆輪控制方案

麥克納姆輪對(duì)各個(gè)車(chē)輪之間的速度控制精度有較高的要求，采用高精度步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。上位機(jī)通過(guò)IMU獲取機(jī)器人的加速度、角速度和三軸磁場(chǎng)偏角，并通過(guò)內(nèi)部芯片處理得到姿態(tài)信息，下位機(jī)STM32通過(guò)通訊獲取上位機(jī)發(fā)送的運(yùn)動(dòng)速度信息，信息解析后控制底盤(pán)上的4個(gè)麥克納姆輪進(jìn)行移動(dòng)。麥克納姆輪裝置采用O-長(zhǎng)方形式安裝方式，如圖10所示。

圖10 安裝方式

為了得到4個(gè)麥克納姆輪的電機(jī)控制速度，將底盤(pán)運(yùn)動(dòng)速度分解為X軸速度(Vx)、Y軸速度(Vy)和繞中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角速度(ω)，如圖11和圖12所示。對(duì)其進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，可以得出4個(gè)車(chē)輪對(duì)應(yīng)電機(jī)速度：

圖11 底盤(pán)速度分解

圖12 車(chē)輪速度

(1)

STM32驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人到達(dá)定點(diǎn)位置。

3.2 激光雷達(dá)SLAM控制方案

SLAM是指機(jī)器人在陌生環(huán)境中通過(guò)獲取自身傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在陌生環(huán)境中的自主定位與環(huán)境地圖構(gòu)建[9]。機(jī)器人在還書(shū)工作中利用SLAM構(gòu)建的室內(nèi)環(huán)境地圖進(jìn)行路徑規(guī)劃，同時(shí)利用自身攜帶的激光雷達(dá)、里程計(jì)和IMU來(lái)獲取周邊信息進(jìn)行自主定位，實(shí)現(xiàn)自主避障功能。激光雷達(dá)SLAM采用Gmapping算法，有效利用車(chē)輪里程計(jì)信息，實(shí)現(xiàn)地圖的實(shí)時(shí)構(gòu)建[10]。在控制程序設(shè)計(jì)時(shí)，利用ROS中的move_base、gmapping、amcl功能包完成機(jī)器人的路徑規(guī)劃[11]。

4 機(jī)器人地圖構(gòu)建與路徑規(guī)劃仿真

為了直觀驗(yàn)證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的正確性與合理性，對(duì)還書(shū)機(jī)器人進(jìn)行了建模仿真。利用SolidWorks軟件對(duì)機(jī)器人進(jìn)行建模，將URDF模型導(dǎo)入到Gazebo[12]仿真軟件中。還書(shū)機(jī)器人的三維模型及仿真如圖13～圖15所示。還書(shū)機(jī)器人具有自主避障導(dǎo)航功能，能達(dá)到預(yù)期還書(shū)目的。

圖13 機(jī)器人三維模型

圖14 地圖構(gòu)建仿真

圖15 路徑規(guī)劃仿真

5 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種基于激光SLAM的還書(shū)機(jī)器人。采用三維設(shè)計(jì)軟件、有限元仿真軟件、Gazebo仿真軟件對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了建模仿真。使用有限元方法對(duì)機(jī)器人的重要零部件進(jìn)行了靜力學(xué)分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。使用軌跡仿真軟件對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了分析，可以實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃、導(dǎo)航避障。與傳統(tǒng)還書(shū)方式相比，還書(shū)機(jī)器人精準(zhǔn)度高、效率高，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化圖書(shū)館還書(shū)提供了一定的技術(shù)方案。