圖書館智能化機器人三項關鍵技術的研究與探討

趙志光

(廣州市越秀區圖書館，廣東廣州 510080)

圖書館智能化機器人三項關鍵技術的研究與探討

趙志光

(廣州市越秀區圖書館，廣東廣州 510080)

現代圖書館引入圖書館智能化機器人技術，是為了更好地提高圖書館工作和服務效能的重要措施，它代表了現代圖書館發展的一個方向。本文對圖書館智能化機器人研究中的三項關鍵性技術，即文獻定位技術、自動導航技術、文獻拾取技術進行研究和探討，目的是為圖書館引入適合本館利用的智能化機器人提供借鑒和參考。

圖書館 圖書館自動化 智能機器人

始于26年前的圖書館智能化機器人技術，現在已經發展成為圖書館重要的現代化新技術之一，它代表了現代圖書館發展的一個方向。圖書館引入智能化機器人技術，可以更好地提高圖書館管理工作的效能和服務工作的效率[1]。在此，對圖書館智能化機器人技術中的3項關鍵性技術，即圖書館智能化機器人技術中的文獻定位技術、文獻導航技術和文獻拾取技術進行研究和探討，目的是為圖書館引入適合本館使用的圖書館智能化機器人系統，以及為之進行的自動化改造主流建構方案提供借鑒和參考。

1 圖書館智能化機器人技術中的文獻定位技術研究

1.1 條形碼結合磁條定位技術

圖書館智能化機器人的文獻定位技術，就是要幫助圖書館機器人解決圖書館館藏文獻被定位在哪里的問題，它是為圖書館智能化機器人后續的文獻導航技術和文獻拾取技術提供基礎的先導性技術。目前，圖書館文獻定位技術主要分為兩種，即條形碼結合磁條定位技術和無線射頻識別定位技術(RFID)[2]。利用條形碼結合磁條進行文獻定位技術，有幾個突出的特點，一是技術相對成熟；二是條形碼和磁條的成本低廉，使用壽命長；三是操作簡單，使用激光條形碼掃描槍(儀)即可識別；四是不用為圖書增加特殊編碼，不增加館員工作量；五是不用為圖書內嵌芯片，不需更換現有設備。正因如此，目前國內大多數圖書館都在采用條形碼結合磁條進行文獻定位技術。它可以讓讀者不需要再根據傳統的索書號查找文獻，而是根據文獻在書架上的實際位置查找。這樣一來，讀者就可以自己規劃索取文獻的路徑，讓索取文獻不再走許多冤枉路。這樣不僅節約了寶貴的時間，也愉悅了讀者的心情。這種文獻的排架數據可以整合到各種應用平臺，如手機移動圖書館APP、微信圖書館、微信小程序、擴展到OPAC、圖書館智能化機器人交互導引終端等，為讀者索取文獻提供了極大的方便。然而，這一技術在圖書館智能化機器人的文獻定位應用中還是有一定局限性的。原因在于，一則，條形碼技術的缺點是防盜性能差，為了提高防盜性能，必須同時在文獻的書脊內側裝入一根或一根以上可充消磁的磁條。但是安裝磁條的這一工序目前必須是手工操作，不適宜機器人操作，所以它存在勞動強度大、工作效率低的問題。二則，即使在文獻中安裝了磁條，由于安裝位置和精度如果達不到要求，往往也容易遭到破壞，或被不良讀者撕掉，出現被盜風險。三則，條形碼信息涵蓋的內容十分有限，不適用于圖書館智能化機器人要求含有大量信息的精確定位、四則，如出現遮擋物，掃描器無法進行掃描識別。所以，一維條形碼識別配合磁條對文獻的定位技術，一般僅限于使用在圖書館智能化機器人中的固定性自動借還書設備中，而對于移動性的圖書館智能化機器人定位文獻則具有很大的難度。

1.2 無線射頻識別定位技術

無線射頻識別(Radio Frequency Identification，簡稱RFID )文獻定位技術，是目前比較適合圖書館智能化機器人進行文獻定位的一種技術。它是基于電磁理論的無線射頻技術，通過非接觸式的方式實現文獻的自動識別和定位的，RFID俗稱電子標簽。它彌補了條形碼和磁條文獻定位技術必須用激光掃描槍直接掃描讀取信息，對于條形碼也只能一個一個地讀取識別等多種缺陷，兼具有安全磁條和條形碼的兩種功能，既可以防盜，又可以報警。此外，也能記載更多的文獻內在內容信息和外在借還流通信息，這是因為它可以具有非常大的信息儲存量。同時，它還具有體積輕薄、質地柔韌、信息量大、讀取方便等突出特點，可以極大地提高了文獻閱讀器的讀取效率。此外，RFID文獻定位技術采用的無線電射頻，可以透過外部材料讀取文獻的數據，可以同時對多冊文獻進行識讀，所以，RFID文獻定位技術也適用于利用圖書館智能化機器人進行文獻的清點工作。它不僅可以增強清點文獻的準確性，而且其工作效率也可以達到普通文獻清點方法的數倍[4]。同時，讀者利用基于RFID技術的圖書館自助借還設備，僅需要10秒的時間，就可以完成多本圖書的自助圖書借閱，同時在后臺自動完成所借圖書資料所有數據的出入書庫，以及所借圖書的防盜代碼變更，讀者不需再對所借圖書進行充消磁操作，大大縮短了讀者的借閱時間，實現快速高效的文獻借閱流通[5]。不過，RFID文獻定位技術的建立也有其局限性，它要求對傳統的書架進行以適應圖書館智能化機器人所需要的全新改造。此外，由于RFID技術本身發展的局限性，在實際使用中，它還存在著一些識別不精確，存在誤差，技術標準不統一，標簽面積過大，費用相對較高等問題。所以，對于RFID定位機器人的設計和研發，早期因為可操作性不強的原因并沒有得到廣泛的實際應用。近年來，隨著RFID定位技術的進一步完善和發展，以及圖書館界認識的提高，它已經成為圖書館智能機器人使用的主流定位技術。

2 圖書館智能化機器人技術中的自動導航技術研究

2.1 圖書館智能化機器人自動導航技術的方式

由于圖書館智能化機器人是屬于移動性機器人，與固定性機器人不同，其自動導航技術是最基礎和最重要的一個功能，也是最能體現圖書館智能化移動機器人自動化和智能化程度及實際應用的關鍵所在[6]。在機器人導航控制領域，根據設計和技術的不同要求，分別可以采用一種或多種不同的導航方式。目前在圖書館智能化機器人的文獻導航技術中，已經較多地采用了電磁導航和激光導航技術方式。如目前國內由南京大學計算機軟件新技術國家重點實驗室和江蘇省物聯網測試與驗證技術中心聯合開發研制的，已經在南京大學仙林校區杜廈圖書館外文閱覽室投入使用的第一代智能機器人書車，就是采用的電磁導航技術。其第二代圖書館智能化機器人，則由磁導航方式改為通過激光傳感器進行自主導航的激光導航技術方式[7]。與此同時，又安裝了語音系統，使圖書館智能化機器人在工作過程中與讀者相遇時，通過語音系統能夠說出一些常用的問候語，用以增強圖書館智能化機器人在服務過程中的更加人性化設計。此外，圖書館智能化機器人的自動導航技術方式，還有利用超聲波傳感器發射和接受超聲波信號的超聲波導航，利用紅外傳感技術的光學導航，采用陀螺儀簡寫方式來進行的慣性導航，能識別特殊環境標志的路標導航。在計算機視覺導航技術中，有創建地圖的固定環境模式視覺導航技術，以及識別環境顏色的顏色環境模式視覺導航技術。GPS全球定位導航技術，由于其精度不高，因此，一般沒有應用在圖書館智能化機器人的地洞導航技術中。

2.2 圖書館智能化機器人自動導航程序的設計因素

圖書館智能化機器人的導航技術，無論選用哪種導航方式，都必須依靠圖書館多種環境信息的采集和運用。在圖書館智能化機器人導航程序的設計因素中，一方面，由于圖書館館舍環境是穩定的，書庫的結構環境也是穩定的，書庫中文獻的排放位置在一定時間范圍內也是相對穩定的，所以，這種圖書館環境信息在采集和運用中的多重穩定性因素，十分有利于圖書館智能化機器人導航程序的設計。另一方面，圖書館智能化機器人導航系統中動態化的可變信息，主要來自于圖書館文獻外借和還回的動態流通變化，以及讀者信息數據的相對動態變化，如讀者信息的增減變化。而這些文獻動態化信息的采集和應用，對于圖書館智能機器人來講也是比較容易實現的[8]。因此，總的來看，圖書館智能化機器人的導航技術，無論采用哪種方式，不僅是可以實現的，而且其實現也是相對比較容易的。圖書館智能化機器人導航技術的關鍵因素，則是在于其文獻導航應用的準確性和快速性兩方面。圖1為德國洪堡大學科學圖書館機器人在各樓層之間不斷往返穿梭運送和收回書刊，電梯門口設置有金屬感應條，機器人行至電梯門口時，電梯會自動打開，駛出后則自動關閉。

圖1 機器人在各樓層之間不斷往返穿梭運送和收回文獻

2.3 圖書館智能化機器人的單純導航系統設計研究

如果單純使用圖書館智能化機器人的自動導航系統，也可將其應用于圖書館智能化排架機器人或智能化巡架機器人中[9]。以圖書館智能化排架機器人為例，它主要是由機器人的取書整理機構和文獻排序機構兩部分所組成。其中它的取書整理機構，定位在書架的某一層進行取書整理，并將文獻運送至排序機構進行排序。等到排序完成后，又通過取書整理機構將文獻送回到原來的書架上。圖書館巡架機器人則是專門用于圖書館巡查文獻排架正確與否，并將錯架的文獻編號予以記錄，以便圖書館工作人員能夠及時予以糾正的機器人。此類圖書館智能化巡架機器人，2015年已經在新加坡白沙公共圖書館的檢查文獻排架中實際投入使用，并且使用效果良好(見圖2)。我國新松機器人自動化股份有限公司和美國英特爾公司，聯合研制的“松果”系列服務機器人，其中就包括可用于圖書館的智能機器人。它較強的自助導航功能，能夠對此前沒有走過的陌生環境進行自動建模，并能夠對外借環境進行全方位感知，能夠實現自助行走和自助避讓，并具備前方視覺識別，后方視覺引導，能夠識別讀者，向讀者問候，并能夠引導讀者和為讀者進行必要的講解服務。

圖2 圖書館智能化文獻巡架機器人

3 圖書館智能化機器人技術中的文獻拾取技術研究

3.1 圖書館智能化機器人移動平臺的設計研究

圖書館智能化機器人技術的重點是機器人模仿工作人員對于圖書館文獻的自動拾取技術[10]。從圖書館智能化機器人設計的角度講，拾取技術主要有3部分的設計：機器人移動平臺的設計，機器人拾取機械手臂的結構設計，以及機械手夾持器的設計。根據機器人實現運動方式的不同類型，機器人的移動方式通常有輪式、履帶式、多足式和滑軌式4種。從目前圖書館的實際應用效果來看，由于輪式結構具有運動平穩、移動快速、方向靈活和操作簡單的優勢，所以更加適合應用于圖書館。輪式結構依據車輪的數量，可分為2輪、3輪、4輪和多輪的設計。車輪的布局設計主要的考慮因素是平衡性、穩定性和靈活性。一般3輪和4輪由于其機動性和穩定性相對較好，所以成為優先選擇的設計方案[11]。此外，為了防止產生噪音，在圖書館館舍中保持良好的靜音性，車輪的材質適宜選擇橡膠輪，不宜采用塑料輪。在圖書館智能化機器人的初級階段，可以采用機器人和人工相結合的方式進行工作。即這種機器人移動平臺往往會被設計為智能書車，其后續的機械手臂和機械手夾持器兩步工作，則可以由圖書館工作人員人工完成。如由南京大學研發的，在仙林校區杜廈圖書館外文閱覽室投入使用的智能機器人書車就是如此。而德國洪堡大學科學圖書館的智能化機器人移動平臺，其基本功能是在圖書館總服務臺與各功能區之間自動移動地傳送需要上架和分檢的文獻(見圖3)。

圖3 行進中的機器人幾乎沒有聲響

3.2 圖書館智能化機器人機械拾取手臂和夾持器的設計研究

圖書館智能化機器人機械拾取手臂的設計，主要有直角坐標垂直升降手臂和多自由度(至少6個自由度)關節型機械手臂兩種。直角坐標垂直升降手臂的優點是結構簡單，不需要太多復雜的運動學計算，但是其缺點是操作空間往往會受限。多自由度關節型機械手臂可以充分利用相對成熟的工業機器人設計，使其在圖書館工作空間范圍和文獻拾取的定位精確性方面都得到大幅度提高[12]。圖書館智能化機器人機械手夾持器的設計，要根據圖書館文獻的排架方式而確定。圖書館智能化機器人在拾取文獻時一般會遇到3種文獻的排架情況，一種是單冊定位排架，另一種是疏松型排架，還有一種就是緊密型排架。單冊定位排架由于是以每冊書為一個單位設計的排架存放空間，所以難以適應一般圖書館大量文獻的書架排架方式，目前主要應用于24小時自助圖書館的少量(一般為數百冊)文獻排架。在這種排架方式的情況下，由于機器人機械手夾持器的操作，僅僅是針對固定架格中的單冊文獻，所以其拾取操作最為簡單(見圖4)。對于疏松型排架的文獻，圖書館智能化機器人機械手夾持器的操作相對而言也較為簡單，這是因為由于排架文獻之間較為疏松，便于機械手夾持器的進退。而對于目前一般圖書館采用的緊密型排架文獻，機器人機械手夾持器的操作就要復雜得多。這是因為需要在夾持器的末端增加具有智能化力覺感知系統的執行器，來感知和適應目前的圖書館緊密型文獻排架方式，目的是提高機械手夾持器的力度和靈活性[13]。

圖4 圖書館智能化機器人機械手夾持器單冊定位排架操作

4 結語

圖書館本身就是隨著社會需求和科技進步而誕生、存在和發展的，先進的科學技術成果必然也會在圖書館中得到體現與實踐。起始于20世紀90年代的圖書館智能化機器人技術就是典型的代表。隨著圖書館智能化機器人關鍵性技術的不斷完善和發展，隨著圖書館界對智能化機器人技術認識的不斷深化和普及，圖書館智能化機器人技術必然會在現代化的圖書館工作中發揮越來越大的重要作用。今后，會有越來越多的智能化機器人圖書館員不知疲倦地往返奔走在圖書館中[14]，為讀者提供更加方便、快捷、周到的服務。

〔1〕 趙辰陽，李波.服務機器人在圖書館發展趨勢的應用前瞻[J].中國科技信息，2016(16)：94，96

〔2〕 倪劼.RFID圖書盤點智能機器人的設計與開發[J].新世紀圖書館，2017(2)：69-72，81

〔3〕 專業智能排架：把找書變成一種樂趣[EB/OL].[2017-05-22].http://www.gzshufu.com/page/index.html

〔4〕 沈奎林，邵波，陳力軍等.基于超高頻RFID的圖書盤點機器人的設計和實現[J].圖書館學研究，2016(7)：24-28

〔5〕 EMID智能圖書館 將用機器人替人工管理[EB/OL].[2017-05-22].http://news.rfidworld.com.cn/2016_05/757bf81621d

5b3b3.html

〔6〕 鄧志，黎海超.移動機器人的自動導航技術的研究綜述[J].科技資訊，2016(33)：142-144

〔7〕 機器人找書路徑最短，南大圖書館有了“最強大腦”[EB/OL].[2017-05-22].http://www.chnlib.com/News/2017-02/98300.html

〔8〕 趙晉芳，張海華，郭太君.一種圖書搬運機器人的設計[J].福建質量管理，2016(4)：138

〔9〕 宋蔓蔓，付正.圖書館巡架機器人關鍵算法研究[J].知音勵志，2016(29)：190

〔10〕 方建軍，張曄.圖書館圖書自動存取機器人的研究與應用[J].圖書館建設，2012(7)：79-83

〔11〕 李雙岑.服務機器人移動平臺的設計[J].電子世界，2017(1)：104-105

〔12〕 周毅鈞，陳勇明.工業機器人拾取系統[J].化學工程與裝備，2016(10)：146-148

〔13〕 王宏，楊志成，任惠榮.圖書上下架機器人的結構設計及其機器手的樣機試驗[J].電子世界，2017(2)：114-115

〔14〕 于健，白福春.談圖書館創新之機器人館員[J].山東圖書館學刊，2016(2)：56-59

ResearchandDiscussionontheThreeKeyTechnologiesofLibraryIntelligentRobot

ZhaoZhiguang

The introduction of intelligent robot technology in modern libraries is an important measure to improve the efficiency of library work and service. It represents a direction of modern library development. The paper studies three key technologies of library intelligent robot: document location technology, automatic pilot technology and document picking technology. The purpose of the study is to provide reference for the library to introduce intelligent robot which is suitable for libraries to use.

Library; Library automation; Intelligent robot

G258.94

A

趙志光(1977-)，男，館員，本科。主要研究方向：信息化技術應用和分館建設。