小型自動取書裝置的研究與設(shè)計

瞿晨穎

摘 要：在傳統(tǒng)圖書館取閱圖書時，往往會遇到圖書“高不成低不就”、難以查找等問題。借助能模仿人手臂運動，定位精準(zhǔn)的機械手則能有效的解決這些問題。實際上，機械手已經(jīng)是圖書館自動化與智能化作業(yè)的一種主要工具。但目前該類裝置仍存在造價高，技術(shù)專業(yè)等問題，所以一種簡易的自動取書裝置更適合當(dāng)前圖書館自動化進(jìn)程。

關(guān)鍵詞：圖書館；自動取書裝置；機械手

在傳統(tǒng)圖書館內(nèi)取閱圖書，經(jīng)常也會遇到一些問題。對于身高不高（165cm以下）的人來說，高處的圖書往往選取困難；對于穿裙子的女生來說，底下的圖書的位置是尷尬的地方；對于眼睛不好的人來說，找書是一件麻煩的事情。圖書館作業(yè)的自動化和智能化，則能夠從根本上處理這些問題，同時減輕圖書館員的勞動強度、提高工作效率，尤其適用于釆用閉架借閱圖書的圖書館。

機械手是圖書館自動化作業(yè)的一種主要工具。它通過接受指令，模仿人手和臂的某些動作功能，精確地定位到三維（或二維）空間上的某一點進(jìn)行抓取或搬運物件等作業(yè)，有效代替人的行為以實現(xiàn)圖書館作業(yè)的自動化和智能化。這一領(lǐng)域已有了廣泛的研究。本課題即在研究現(xiàn)有小型自動取書裝置的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際生活遇見的問題，進(jìn)行創(chuàng)新的改進(jìn)與設(shè)計。

1 現(xiàn)有的小型自動取書裝置[1]

現(xiàn)有的圖書館機器人主要用于圖書的搬運和自動存取。具有自動存取功能的小型自動取書裝置主要有兩種形式：一種是自助圖書館，它基于書架的自動化，輔助自動傳送系統(tǒng)；一種是移動式圖書館機器人，它完全依賴于移動式服務(wù)機器人。

自助圖書館是一種類似ATM機的小型自動取書裝置[2]。該裝置的書庫由若干排可獨立移動的機械柜組成，每個機械柜擁有獨立的自動圖書傳送機構(gòu)，可獨立完成自動存取圖書的操作。

移動式圖書館機器人在不改變圖書館書架的前提下，完成搬運、自動上下架圖書的操作。它有兩種基本類型：一種是只能將圖書搬運到指定地點的搬運型機器人；另一種是在將圖書搬運到指定地點的基礎(chǔ)上，還能自動完成圖書自動上下架的圖書自動存取機器人。

德國洪堡大學(xué)圖書館使用的是搬運型機器人[3]。該機器人在安裝在上部的導(dǎo)軌導(dǎo)引下，可以穿梭于總服務(wù)臺與子服務(wù)區(qū)之間，完成需要上架和分檢圖書的自動傳送。它也可自動乘坐電梯，在一樓和二樓之間往返運動。

美國約翰.霍普金斯大學(xué)成功研制了一種圖書館圖書自動存取機器人實驗裝置，即CAPM（Comprehensive Access to Printed Materials）。它是一種存取不同類型印刷品和圖書的自動存取裝置，可實現(xiàn)機器人移動的自主導(dǎo)航、圖書抓取與存儲以及圖書瀏覽等多種功能。

2 新型小型自動取書裝置

2.1 現(xiàn)有裝置的不足

現(xiàn)有的小型自動取書裝置能夠有效的完成圖書分檢和自動上架等任務(wù)，但無論是自助圖書館或者移動式圖書館，都需要專有的配套設(shè)備，而這類設(shè)備往往造價成本高昂，維護(hù)費用昂貴，并且需要專業(yè)人員的護(hù)養(yǎng)。顯然在當(dāng)前條件下，這類裝置很難普及，并且對于公益屬性的圖書館也并非最佳選擇。所以簡易的小型自動取書裝置更有實際應(yīng)用價值。

通過簡單的機械結(jié)構(gòu)，配合價格低廉的電機與控制系統(tǒng)，該種小型自動取書裝置既能完成基本的自動存取圖書功能，又能節(jié)約成本，維護(hù)方法也比較簡單，更適合作為當(dāng)前圖書館自動化和智能化的普及裝置。

2.2 取書裝置的原理

取書裝置，即機械手末端執(zhí)行機構(gòu)，是自動取書裝置機械設(shè)計中最重要的部分。該部分的設(shè)計好壞直接決定了裝置取書是否成功。通過對人手取書過程的研究，可以將取書動作簡化為“撥取”與“夾取”兩個步驟：類似人手取書，一根手指將目標(biāo)圖書從兩旁圖書中撥取出來后，另外兩根手指進(jìn)行夾取。

根據(jù)這一結(jié)論，末端執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計為兩部分，取書機構(gòu)與夾書機構(gòu)。取書機構(gòu)的一根手指負(fù)責(zé)取書，夾書機構(gòu)的兩根手指負(fù)責(zé)夾書，即末端執(zhí)行器整體設(shè)計成三指形式。

具體運動過程：當(dāng)自動取書裝置執(zhí)行取書任務(wù)時，首先取書機構(gòu)的一根手指壓在目標(biāo)圖書的書脊上部，并給予適當(dāng)壓力。然后取書手指向后收回，借助足夠大的摩擦力，目標(biāo)圖書就會以書脊底部為軸，向書柜外側(cè)旋轉(zhuǎn)，完成撥取任務(wù)。之后夾書機構(gòu)的兩根手指通過適當(dāng)?shù)牧α考泳o圖書兩側(cè)，完成夾取任務(wù)。

3 新型取書裝置的設(shè)計

為標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，假設(shè)目標(biāo)圖書的質(zhì)量在2kg以內(nèi)。圖書大小在32 開（184×130mm）到16開（297×210mm）之間，厚度為6～20mm[1]。每層書架放置的圖書以書脊為淮，整齊垂直擺放，排放順序從左到右。假設(shè)書架尺寸為：長1000mm，寬300mm，高2000mm。

小型自動取書裝置需通過在豎直平面內(nèi)的升降運動（z軸方向）和水平平移運動（y軸方向），完成對目標(biāo)圖書的定位。

3.1 升降運動（Z軸方向）

滾珠絲杠是一種將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運動的機械裝置，它具有傳動效率高，運動平穩(wěn)，精度高，經(jīng)久耐用，同步性好等特點，因此升降運動采用滾珠絲杠傳動。

根據(jù)假設(shè)，其工作條件為：承重質(zhì)量2kg，行程與書架高度匹配為2000mm；配套步進(jìn)電機轉(zhuǎn)速1250r/min；絲杠傳動精度±0.03mm，額定工作壽命時間為10000h。

3.2 水平平移運動（Y軸方向）

齒輪傳動是機械傳動中最重要的傳動之一，具有傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動比穩(wěn)定等特點，因此水平平移運動采用齒輪齒條傳動。

根據(jù)假設(shè)，選取齒輪尺寸：模數(shù)m=1，齒數(shù)z=17，分度圓直徑d=17mm，齒高h(yuǎn)=2.25mm，齒寬b=10mm[1]。

根據(jù)齒輪齒條進(jìn)給公式：

則小齒輪轉(zhuǎn)速

假設(shè)該自動取書機構(gòu)的總重量定為25kg，取安全系數(shù)2倍，則齒輪齒條副的最大工作載荷：

。

移動裝置如圖1[1]。

3.3 末端執(zhí)行機構(gòu)

為降低生產(chǎn)成本，末端執(zhí)行機構(gòu)采用模塊化設(shè)計。

巨鰲機械手夾持器是最新一代兩舵機夾持器，支持單夾持和“夾持+手腕旋轉(zhuǎn)”兩種工作方式。它具有強剛性、平行夾持易于定位被夾持物體、支持各種標(biāo)準(zhǔn)尺寸舵機（適合輝盛的MG995、MG996、SG5010等舵機，支持Hitec、Parallax、Futaba、輝盛等品牌的尺寸為40×20×36mm左右的標(biāo)準(zhǔn)舵機）、可擴(kuò)展性（兩爪面有4個安裝孔，可安裝薄膜式壓力傳感器或柔性軟墊）、經(jīng)久耐用等特點[4]。故選用巨鰲機械手加持器作為夾書機構(gòu)。

取書機構(gòu)為一根前端有突出的撥取條。末端執(zhí)行機構(gòu)如圖2。

參考文獻(xiàn)

[1]傅向東，尉偉，朱炳，等.小型圖書館自動化集成系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].蘭州大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2000，（S2）：494-496.

[2] 王展妮，張國亮.圖書館機器人應(yīng)用研究綜述[J].大學(xué)圖書館學(xué)報，2015，33（3）：82-87.

[3]崔建偉，宋愛國，莊皓蘭，等.機器人技術(shù)在圖書館自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用，2009，（6）：33-35.

[4]張建新，昝銀忠，賈章偉.自主機器人抓取機構(gòu)設(shè)計與研究[J].機電技術(shù)，2010，（3）：71-73.