城市街區自助圖書館機械手運動規劃與力控制系統設計

周占明，吳昌林，王玉金，余 旭

（華中科技大學 機械科學與工程學院，湖北 武漢 430074）

城市街區自助圖書館機械手運動規劃與力控制系統設計

周占明，吳昌林，王玉金，余 旭

（華中科技大學 機械科學與工程學院，湖北 武漢 430074）

城市街區自助圖書館系統是在物聯網基礎上興起的文化建設項目，是一種新型的圖書館發展模式。自助圖書館機械手作為圖書傳輸的執行部件，具有借書傳輸、還書傳輸、自動分揀的功能，是自助服務效率和安全傳輸的關鍵。論文首先介紹了機械手圖書傳輸的實現方式和機械手圖書夾持裝置的結構，然后對機械手進行了運動規劃。在此基礎上，基于單片機、運動控制卡和PC機對機械手控制系統進行了設計。市場反饋表明該機械手控制系統運行穩定，很大程度上提高了圖書傳輸的安全性和自助服務的效率。

自助圖書館；機械手；運動規劃；力控制；單片機

0 引言

城市街區自助圖書館系統是物聯網技術在圖書館領域的拓展，是集數字化、人性化和智能化為一體的新型圖書館發展模式，是現有公眾圖書館服務的延伸，實現了傳統圖書館與數字圖書館的完美結合和質的飛躍[1]。自助圖書館系統由自助圖書館服務機、物流管理系統、中心服務系統、圖書館監控系統、資源管理系統等部分構成，其中自助圖書館服務機是自助圖書館系統的硬件基礎，也是其核心組成部分[2]。

射頻識別技術（RFID）作為自動識別技術的一大分支，是自助圖書館系統的核心技術，它通過無線射頻方式獲得圖書的相關數據，并對圖書加以識別，且無需與圖書直接接觸即可完成信息的輸入與處理，能夠實時準確地采集和處理信息[3]。正是由于RFID的應用使得自助圖書館系統成為一種典型的人機交互系統，實現了自助辦證、自助借書、自助還書、自助預約、自助查詢等服務功能的融合[4]。

取書機械手系統作為自助服務的執行子系統，具有借書傳輸、還書傳輸、自動分揀的功能，是服務效率和圖書安全傳輸的關鍵因素。機械手運動規劃及其系統控制策略對提高服務效率和傳輸安全系數起著至關重要的作用。機械手定位速度、精度以及傳輸安全性是機械手控制的三大性能指標[5]。因此，對取書機械手系統進行研究具有重要的意義和應用價值。

1 機械手運動原理

自助圖書館服務機在傳統圖書館書架的基礎上添加E字形隔書板，使圖書兩兩隔開，方便U形結構機械手末端夾持裝置能夠快速準確地插入E形隔書板卡槽內抓取指定圖書。機械手末端夾持裝置是機械手的末端執行器，末端執行器在三維空間的運動使得圖書傳送功能得以實現。

圖1 所示為機械手的三維空間運動示意圖，其中XZ表示自助圖書館上導軌平面；X軸表示書架的長度方向；Y軸表示書架寬度方向；Z軸表示書架高度方向；W軸為機械手末端執行器的夾持運動方向，該方向與X軸平行，夾持裝置在W軸向的運動提供圖書夾緊力。機械手具有4個移動關節，X軸、Y軸和Z軸方向的移動實現末端執行器的空間定位；W軸方向的運動提供圖書夾緊力，是圖書安全輸送的關鍵。

圖1 機械手運動示意圖Fig.1 The schematic diagram of manipulator movement

2 夾持裝置結構設計

圖書在傳輸過程中應當避免滑落的情況發生，需要在W軸方向上提供適當的正壓力，以使圖書與夾持件之間的摩擦力與圖書重力之間達到靜力平衡。因此，對執行器結構顯得尤為重要。圖2所示為本文所設計的末端執行器的運動原理，電機驅動凸輪轉動使安裝在凸輪卡槽內的套筒和夾板連接銷沿槽運動，同時，限位槽約束夾板連接銷只能在槽的方向上作直線移動，而套筒還具有垂直于凸輪平面的旋轉運動，以減小夾板連接銷與凸輪槽間的滑動摩擦。這樣，凸輪轉動就能使固定在夾板連接銷上的夾板產生直線運動，實現抓取圖書的目的。

圖2 機械手夾持裝置運動原理Fig.2 The motion principle of manipulator holding device

圖3 所示為末端夾持器的詳細結構圖。電機輸出軸與傳動軸通過螺釘連接，傳動軸上固定帶內槽的凸輪盤，槽內安裝穿有夾板連接銷的套筒，限位槽限制夾板連接銷只能在沿上板蓋和下板蓋的限位槽方向作直線運動，所以與夾板連接銷相連接的夾板只能作直線移動而不能旋轉，即機械手夾板的直線運動。

電機的旋轉運動在凸輪內槽和限位槽的作用下轉換為左右夾板的直線運動，實現機械手圖書夾持裝置的夾緊和松開。夾書時，機械手右夾板上的壓力傳感器輸出壓力值信號通過單片機串口通訊傳輸至PC機，PC機根據壓力設定值和反饋值控制電動機運轉，達到穩定夾取圖書的效果。在機械手夾板上如圖3所示的三個位置安裝工業橡皮，增加摩擦系數，且當圖書重心置于三點所構成的三角形內時，能夠防止夾書時圖書發生翻轉，有利于增加圖書傳輸的安全性。

圖3 機械手末端夾持裝置結構Fig.3 The holding device structure of manipulator terminal parts

3 機械手運動規劃

機械手在X、Y、Z軸方向的移動實現機械手末端夾持裝置的空間定位，W軸方向的移動實現圖書抓取功能。當讀者借閱圖書時，自助圖書館數據庫為機械手控制系統提供圖書位置信息（x,y,z），而沒有W軸向移動距離的信息。控制系統首先根據給定的目標位置信息（x,y, z）對機械手進行運動規劃[6]，使末端夾持裝置運動到目標位置；然后控制W軸向移動，當夾緊力能夠安全抓取指定圖書時，W軸向停止運動；最后機械手逆向運動將圖書送到指定位置。

控制系統需要對（x,y,z）進行運動規劃，目的是使機械手準確快速到達指定位置，并且機械手在移動過程中不能與其他圖書或者書架接觸。因此，本文采用的機械手避障規劃策略為：機械手在X、Y方向同時啟動，同時到達目標位置；當其在X、Y方向到達指定位置后Z軸開始啟動，數學表達式為：

其中，tx0—X軸向運動的初始時刻；tx1—X軸向運動結束時刻，其它軸向運動表示方法相同。

本文采用正弦曲線對機械手運動加速度進行規劃，該運動規劃可以實現機械手無沖擊定位，運動規劃的軌跡方程為：

其中，s—機械手在X、Y、Z三個軸方向位移變量的其中之一；s0—機械手初始位置與目標之間在該軸方向上的距離；ts—機械手在相應軸上達到指定位置所需時間。通過規劃公式（2），機械手可以無沖擊到達指定目標位置，通過調整ts的大小就能夠改變機械手達到指定位置所需時間[7]。

4 夾持力控制系統設計

機械手末端夾持裝置左右夾板在W軸方向移動夾持圖書，位移較小。W軸方向運動提供夾持力，應當防止夾持力過小造成書本脫落以及夾持力過大造成圖書損壞，因此夾持裝置在W軸上應該采用力控制方式[8]。在抓取過程中，可將書本近似視為剛體，圖書不發生變形。當夾持裝置接觸圖書時，安裝在夾板上的壓力傳感器實時測量所受壓力，壓力信號通過AD電路轉換為數字信號并通過串口通訊傳遞給上位機。

壓力傳感器在機械手夾板與圖書接觸時開始傳遞壓力信號，上位機根據初始壓力值估算圖書厚度d以及圖書質量m，從而計算出圖書安全傳輸所需夾持力。如圖3所示，右夾板上具有合頁軸，該合頁軸原點可看作是一杠杠的支點。

圖書厚度公式可以由以下公式近似得到：

式中，Fe—壓力傳感器所受壓力值；Fm—圖書對夾板的壓力；l—兩壓力之間的近似線性比，d—圖書厚度；D0—左右夾板間初始間距；sd—壓力傳感器有正壓力值輸出時左右夾板相對位移。根據以上公式可以近似得到所需夾緊力：

其中，md—單位厚度圖書質量；μ—夾板與圖書之間的摩擦系數。通過計算得到機械手所需夾緊力的近似值，并依此設定機械手夾持力參考值，將壓力傳感器信號反饋到輸入端，進而進行力閉環控制。

4.1 力控制系統硬件設計

夾持力控制系統以基于PC機和運動控制卡、單片機為核心，以交流伺服驅動器、交流伺服電機、壓力傳感器等構成一個開放式硬件結構。整個機械手夾持系統由末端執行器本體、伺服電機、伺服電機驅動器、壓力傳感器和放大器、單片機系統、運動控制卡、工控機、穩壓電源（DC+12V）等組成。當夾取圖書時，壓力傳感器將受到的壓力轉變成電壓信號，經信號放大后被采集并轉換成實際壓力，根據設定壓力值和反饋壓力值的偏差，經控制算法后，由運動控制卡發送脈沖給驅動器控制伺服電機轉動，直到夾緊力達到所要求的設定范圍內。

單片機壓力采樣電路由CPU（AT89S52）、串行接口電路 （MAX232）、信號放大電路、光電隔離電路、A/D轉換電路（HX711）等組成。A/D轉換芯片為HX711芯片，具有24位的轉換精度，滿足使用精度要求。HX711芯片內置增益控制，可對傳感器輸出的毫伏級電壓信號進行調理轉換，性能穩定，同時可通過2線串行方式與單片機通信。單片機使用AT89S52芯片，系統時鐘頻率為11.0592MHz，單片機讀取經過A/D轉換后的壓力數據，通過串口通訊將數據傳遞到上位機即PC機，單片機電路原理圖如圖4所示。

圖4 單片機電路原理圖Fig.4 The circuit schematic diagram of single chip microcomputer

4.2 力控制系統軟件設計

控制系統軟件包括下位機軟件和上位機軟件。上位機軟件為自助圖書館服務機系統控制軟件，采用模塊化設計，包括面向讀者的窗口顯示模塊、運動控制模塊、數據庫存儲模塊、網絡終端通信模塊等。

機械手末端夾持裝置的控制函數為運動控制模塊的子函數，實現單片機和PC機的實時串口通訊以及驅動電機的運動控制。PC機接收通過單片機采樣得到的壓力值，通過運動控制卡控制伺服電機轉動。上位機程序控制流程如圖5（a）所示。

下位機軟件同樣采用模塊化設計，包括主程序模塊、串口通訊程序模塊、A/D采樣程序模塊及滑動平均濾波處理模塊等。下位機軟件采樣得到壓力傳感器的壓力信號，經A/D轉換及濾波處理后將數據傳遞至PC機，構成上位機對驅動電機的閉環控制，單片機采樣程序流程圖如圖5（b）所示。

采樣數據的準確性制約著夾取圖書的可靠性，是安全夾取圖書的關鍵。為避免干擾對采樣數據造成的影響，在單片機程序中采用滑動平均濾波算法對采樣數據進行處理，保證最終數據的合理可靠[9]。

式中：fk—滑動平均濾波后數據；yk—原始數據；ωi—加權系數，為小于m的任一正整數，且p+q+m=1。

圖5 上位機程序控制與單片機采樣流程圖Fig.5 The flow chart of host computer procedure and MCU sampling

5 結論

本文在自助圖書館機械手結構設計的基礎上，在機械手避障的前提下對機械手的定位采用正弦加速度進行了運動規劃，以實現機械手的無沖擊定位，提高定位精度；通過調整正弦加速度的參數，可以提高機械手的運行效率。機械手末端執行器采用力閉環控制，壓力傳感器反饋信號使用單片機采樣，采用滑動平均濾波算法保證了數據的可靠性，能有效避免因正壓力過小造成的圖書滑落或因正壓力過大造成的圖書損壞。本文所設計的機械手結構和控制系統在產品中得到了良好運用，產品運行穩定，自助服務效率得到了提高，本文的研究具有較大的實用價值和理論意義。

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[9]林洪樺.動態測試數據處理[M].北京:北京理工大學出版社,1995.

Manipulator Motion Plan and Force Control System Design of a City Blocks Self-Service Library

ZHOU Zhan-Ming，WU Chang-Lin，WANG Yu-Jin，YU Xu
（School of Mechanical Science and Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan Hubei 430074,China）

City blocks self-service library system is a cultural construction project and a new type of library develop-ment model based on the rising of things Internet.The self-service library manipulator,with the ability of book transmission and automatic sorting,is the execution part of book transmission,and it's also the key to self-service efficiency and the safety of book transmission.Firstly,the implementation of book transmission by manipulator is introduced in this paper,and then the structure of book clamping device is designed in detail,and then the motion planning of manipulator is constituted.Based on the above,a manipulator control system based on single chip microcomputer, motion control card and computer is carried out.This manipulator control system is stable,and also enhances book transmission safety and self-service efficiency according to the market feedback.

self-service library；manipulator；motion planning；force controlling；single-chip microcomputer

TP39

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.01.032

1002－6673（2014）01－086－04

2013－11－27

周占明 （1989-），男，河南駐馬店人，華中科技大學碩士研究生，主要研究方向：機電一體化產品設計；吳昌林（1951-），男，湖北武漢人，華中科技大學教授，博士研究生導師，主要研究方向：機電一體化設備及曲面數控拋光技術。