基于分布式結構的圖書整理機器人系統設計

晁艷普

(許昌學院機電工程學院,河南 許昌 461000)

0 引言

隨著經濟的飛速發展和科技的不斷進步，圖書館、檔案館的規模發生了日新月異的變化。圖書館作為科技人才的知識庫，應跟隨時代的發展同步升級，但現有的圖書館管理仍非常落后。在目前的圖書日常管理中，分類、整理、清點、運輸和上下架等作業需要花費大量的人力和物力，有時還會出現圖書分類錯誤[1]。如何實現圖書的借閱、上架、下架、清點、整理、傳送的機械化、自動化，是圖書館目前需要解決的問題。采用智能圖書管理機器人是未來圖書管理發展的大趨勢[2-3]。

目前，國內外圖書館的圖書自動存取技術主要采用以下三種模式[4]。一是在單個書架或書柜中采用自動化存取技術[5]；二是以圖書館整體為對象，采用桁架式的立體倉儲系統，實現圖書的自動存取[6]；三是在移動機器人精確定位的基礎上，通過專用的機械手實現圖書三維存取[7-9]。對于前兩種方案，由于圖書館后續規模升級時，需要更換的設備較多，因此成本很高，日常管理較為復雜。而第三種方案由于制造成本低、擴展性和靈活性好[10]，已成為目前圖書館自動存取、整理圖書采用的主流技術方案。本文設計了基于分布式結構的圖書管理機器人系統。該系統可以在無人干預的情況下，實現機器人的巡線定位、超聲波避障、圖書的取放和整理工作，具有效率高、體積小巧、實用等特點，在圖書館的日常管理中有很大的應用空間。

1 系統整體方案設計

圖書機器人系統整體設計采用分布式結構。該系統由四層模型結構組成，分別是操作層、控制層、設備層和現場層。系統整體結構拓撲圖如圖1所示。

圖1 系統整體結構拓撲圖 Fig.1 The topology of overall system structure

操作層是整個系統的數據處理中心，能夠進行人機交互。讀者可以通過計算機選書界面進行圖書的選取。操作層和控制層通過網口進行通信，實現各設備之間的數據傳輸和數據共享，經PLC控制器處理后發送指令給各模塊，使各模塊協調運動。設備層通過總線，對現場層各節點采集的信息進行處理，并把數據反饋給PLC；設備層由各節點分布式的I/O模塊和現場控制器構成。現場層由現場傳感器、機器人循跡運動機構和機械臂構成。現場傳感器實時采集信息，并反饋給PLC。機器人先通過灰度傳感器進行局部書框定位，然后通過械臂進行圖書位置的精確定位，最后完成取、放書的動作。

2 結構設計

根據系統整體功能要求，為了實現圖書機器人循跡移動、精確定位和自主取/還書等過程，本設計采用循跡移動底盤承載三軸運動機械臂的組合模式。這種結構使機械臂具有較大的工作空間和高度的運動冗余性，優于傳統整體桁架式的立體倉儲機械結構。圖書機器人整體機械結構如圖2所示。

圖2 整體機械結構圖 Fig.2 Overall mechanical structure

循跡移動底盤整體采用6160鋁合金型材，以4個大功率直流電機作為動力驅動；移動輪子采用齒形輪轂外加防滑橡膠輪胎的組合方式，可確保機器人底盤具有足夠的動力輸出和較大的防滑摩擦力。底盤前后兩端裝有超聲波傳感器，底部裝有灰度循跡傳感器，可實現底盤移動過程中的避障和自主循跡定位。三軸運動機械臂中的X軸、Y軸和Z軸，用來實現圖書位置的精確定位。三軸都使用42BYG步進電機作為動力驅動，采用同步帶、螺母滾珠絲杠副傳動和直線導軌作為傳動機構。X軸和Y軸的有效行程為300 mm，Z軸的有效行程為500 mm，并具有斷電情況下的自鎖功能。各運動軸都設有零點和正負限位，對系統起到保護作用。三軸運動機械臂中的圖書夾取裝置采用鋁合金材料，利用平行四邊形機構原理進行設計。通過外加齒輪傳動，能夠將舵機轉過的角度轉換成卡爪的張開和閉合，從而實現對圖書的夾緊和放松。該結構與傳統采用氣動卡爪的模式相比，無需氣源和拖線，結構更緊湊、靈活性更好；通過傳動機構，增強了夾緊力。通過加工和組裝調試后，經實際測試表明，系統能夠滿足功能要求。

3 控制系統設計

3.1 硬件控制電路設計

本系統采用PLC和ATMEGA單片機作為主控單元。機器人循跡移動底盤采用ATmega328單片機，三軸運動夾取機械臂采用ATmega2560單片機。外圍電路可以實現電壓轉換、接口通信、電機驅動、傳感信號測量和開關量控制。主控芯片ATmega328單片機是一款高性能、低功耗的AVR(R)8位微控制器，擁有32個8位通用工作寄存器、2個8位定時器/計數器、6個脈寬調制(pulse width modulation,PWM)通道，可以滿足多種功能模式的控制要求。電源轉換模塊采用TPS54331芯片和電阻、電容濾波，用于將24 V的電壓轉換成5 V和6～12 V直流電壓，為單片機模塊和驅動器公共端供電。接口模塊采用CH340GISP芯片，使用互聯網服務提供商(internet service provider,ISP)的下載接口。電機驅動電路采用TB6612FNG驅動器件。該器件的優點是：轉速可調，抗干擾能力強；具有續流保護，PWM支持頻率高達100 kHz，脈寬平滑調速；可實現正轉、反轉、制動和停止這4種電機控制模式。在實際控制過程中，要實現機器人的巡線定位、超聲波避障和圖書的自動取、還功能，需建立主控板與現場層傳感器、運動機構和I/O設備之間的正確連接，以實現控制指令和數據的通信傳輸。整個系統的硬件控制接線示意圖如圖3所示。

圖3 硬件控制接線示意圖 Fig.3 Schematic diagram of wirings of hardware control

圖3(a)中：1號、2號接口為機器人底盤的輸出端口。1號接口為高位，2號接口為低位，共同組成4個二進制信號(00、01、10和11)。將6號接口作為底盤主控板的輸入端口，并分別將插頭1和插頭2作為2位二進制的信號接口。其中，插頭1表示信號的高位，插頭2表示信號的低位。M1、M2接口分別接底盤左側的2個直流電機和右側的2個直流電機。3號、4號接口分別接底盤正前方的巡線模塊和底盤右側的數點定位算法用的巡線模塊。7號、8號接口分別接底盤前方的超聲波模塊和底盤后方的超聲波模塊。

圖3(b)中：1號、2號、3號接口分別接圖書夾取機械臂X軸、Y軸、Z軸的3個電機；6號、7號接口為圖書夾取機械臂的主控板輸入端口；4號接口作為圖書夾取機械臂主控板的輸出端口，分別將插頭1和插頭2作為2位二進制的信號接口。其中，插頭1表示信號的高位，插頭2表示信號的低位。9號接口為卡爪舵機端口，10號接口為限位開關。

3.2 控制軟件及界面

根據圖書機器人取/還書過程特點和硬件結構系統，控制軟件系統主要由PLC總體控制程序、循跡移動底盤控制程序和圖書夾取機械臂控制程序三部分組成。PLC采用循環掃描機制工作，在每個掃描周期都要完成自檢、I/O更新、數據通信等操作。機器人開機后處于初始狀態。當PLC給機器人發出對應書架信號時，機器人首先進行位置判斷。到達指定位置后，向PLC發出到位信號，圖書夾取機械手開始執行取書或者還書動作，機械手動作完成后輸出一個動作完成信號。機器人循跡移動底盤控板接收到機械手動作完成的信號后，機器人返回初始點，取書或者還書過程完成，機器人自動執行下一次信號發出的程序。機器人PLC控制程序流程如圖4所示。

圖4 PLC控制程序流程圖 Fig.4 The flowchart of PLC control program

機器人循跡移動底盤控制過程中，當主控板檢測6號接口的輸入信號，并接收到來自PLC的圖書位置信號后，運算得出書架位置。然后，檢測超聲波傳感器前是否有障礙物。如果有障礙物，機器人循跡移動底盤停止前進；如果沒有障礙物，則機器人繼續前進。當運動軌跡偏離預定的軌跡時，機器人會根據底盤前面的巡線模塊回傳的數據，及時修正行駛路線。當達到圖書所在書架位置后，位于機器人右側的傳感器會及時傳輸返回信號，機器人退出巡線避障模式，停止運行。

圖書夾取機械臂控制程序流程圖如圖5所示。首先，主控板接收到PLC的取/還書信號，夾取機械臂平臺等待接收到PLC的圖書位置信號。然后，夾取機械臂的X軸、Y軸和Z軸執行復位程序；X軸、Y軸和Z軸分別動作到位后，夾取機械臂卡爪的MG995舵機轉動；卡爪完成動作后，等待PLC發出松手信號。卡爪松開后，整個夾取機械臂控制程序結束。

圖5 機械臂控制流程圖 Fig.5 The control flowchart of the manipulator

為了實現取/還書的人機交互和圖書信息的存儲管理，在visu+軟件平臺上開發了智能圖書機器人，即人機交互取/還書系統。通過與PLC通信模塊的通信，完成了過程數據的監控、記錄查詢、報警信息查詢和參數設置。人機界面按功能劃分為取/還書控制區和運行監控區，并由實體化的圖標與按鈕來組態，使圖書管理人員更容易理解與操作。在取/還書控制區，操作者可以通過組態按鈕，選擇要借閱和歸還的圖書名稱；后臺的數據庫會將圖書的數據信息發送給PLC；PLC通過協調控制循跡移動底盤和圖書夾取機械臂的運動實現圖書的取或還。運行監控區實時采集循跡移動底盤和圖書夾取機械臂的運動軌跡信息，并通過數據仿真圖書機器人的運動過程。

4 試驗測試

為了驗證所開發系統的可行性，本文通過visu+開發人機交互取/還書界面，分別選擇兩本需要借閱和歸還的圖書信息。圖書機器人根據圖書的數據信息，利用PLC發出圖書位置信號。主控單片機板接收到PLC信號后，驅動移動底盤利用巡線模塊識別地上的黑條來巡線移動和數點定位，并到達圖書所在書架位置。圖書夾取三軸機械臂復位后開始進行取/還書動作，依據PLC得到的圖書信息計算出圖書的精確位置。舵機驅動卡爪能夠準確完成圖書的夾取和松開，并返回初始狀態。試驗結果證明，所開發的系統滿足設計和使用要求。

5 結束語

本文設計了一種基于分布式結構的圖書整理機器人系統。該系統采用PLC和單片機作為主控單元，利用超聲波和灰度循跡傳感器，實現實時避障和巡線定位；通過人機交互取/還書界面，選取不同的圖書，在PLC和單片機的協調控制下，能夠準確完成圖書的自動借閱和歸還。試驗結果驗證了開發系統的可行性和正確性。但該系統還存在一定的不足，需要進一步完善、升級。今后，可以擴展其自動充電、語音交互、機器視覺和RFID識別功能，使之更加信息化和智能化，為后續推廣應用奠定技術基礎。

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