圖書識別整理機器人的設計與研發

徐彬 溫秀蘭 黃濤 陳一心

摘? 要：文章設計一種圖書識別整理機器人，該機器人利用CCD進行循跡移動來進行路徑規劃，使用RFID技術識別圖書電子標簽，獲取圖書相關信息，采用多聯動舵機組成機械臂對書籍進行抓取，實現圖書的取放與整理，并利用圖像回傳實時監測，保證機器人穩定運行。該機器人能夠識別圖書信息并判斷圖書存放位置，將圖書歸還書架，減少管理人員的工作量，提高圖書整理的工作效率，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：CCD;RFID;機器人;圖書整理

中圖分類號：TP242? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）10-0045-03

Abstract： This paper designs a book recognition and sorting robot. It uses CCD to track the path and RFID technology to identify the electronic label of the book and obtain the related book's information. The mechanical arm consists of multi-linking steering gear to capture the book and finish the pick-and-place and arrangement of books. The image is real-time monitored to ensure the robot stable operation. The robot can identify the book information and achieve the storage location of the book， and return the book to the bookshelf. Therefore， it can reduce the workload of the management staff， improve the efficiency of the sorting of books and has a broad application space.

Keywords： CCD; RFID; robot; book sorting out

1 概述

隨著社會的發展和科技的進步，現代圖書館規模、館藏書籍數量都大大增加，而目前圖書館書籍整理工作還大多由人工來完成，工作效率低，錯放圖書的情況也時有發生，不利于讀者繼續借閱。隨著人工智能、大數據、云計算、物聯網等眾多先進技術的發展，采用智能化的圖書整理也必將是未來智能圖書館建設的重要發展趨勢。實現書籍整理的自動化，能夠減少圖書館工作人員的工作量，提高工作效率及降低錯誤率。

目前，國內已有關于圖書館機器人相關的理論與實踐研究。在開始的初探中，主要研究功能單一的圖書館管理機器人，但隨著眾多先進技術的發展，國內對智能機器人在圖書館方面的應用和技術研究也逐步興起。在結構方面已出現多種形式，主要有基于分布式的圖書整理機器人系統[1]和基于主從式的智能圖書整理機器人[2]。為滿足圖書館發展需求，有將物聯網技術引入到智能圖書館的建設中[3]，也有對書籍抓取行為的機械結構和算法程序做詳細具體的研究設計。在實際應用方面，現代圖書館機器人大多是咨詢服務類的為主，主要有清華大學圖書館的智能聊天機器人“小圖”[4]、南京大學超高頻RFID智能圖書盤點機器人[5]。

本文設計的機器人可以在無人干預的情況下，實現對行人和物品的避讓以及對行駛路徑進行最佳規劃，并通過機械臂的運動實現圖書的拾取與放置。通過對機器人機械結構設計、圖書感應識別和機器人運動控制，實現了一種完全自主識別、運輸以及放置圖書的圖書識別整理機器人的設計。在此過程中極大地解放勞動力，提高圖書整理的準確性，并且該機器人可以在圖書館閉館后自主完成工作，提高了圖書館圖書整理的工作效率，在未來的智能圖書館的建設中起著重要的作用。

2 整體方案設計

機器人功能結構如圖1所示，該功能結構由操作層、控制層和運動層三部分組成。操作層為上位機，完成圖書信息、機器人位置信息顯示和圖像監測的功能。控制層包括樹莓派對寄存書架書籍間隙進行圖像處理， RFID對圖書信息進行識別;STM32通過CCD和紅外模塊的數據信息來控制電機和舵機的運動以實現機器人和機械臂的控制。樹莓派將采集到的圖書信息和機械手需要運動的距離信息通過通訊模塊發送至STM32，經處理后，實現機器人的路徑規劃和機械臂的控制，同時將運動信息反饋到樹莓派，并傳輸到上位機進行顯示。

3 機械結構設計

機器人機械結構如圖2所示，由機械臂、升降平臺和運動模塊三部分組成。機械臂由多個舵機通過連接件將其連接成可以在四周范圍內運動的結構裝置，并在機械臂上安裝有RFID模塊，抓書環節設計了相應的機械爪對書籍進行抓取。機械臂固定在升降平臺上，控制機械臂的上升和下降。運動模塊由四個獨立驅動器控制相應的車輪構成。這種機械設計具有結構緊湊、運動靈活、穩定性和工作效率高的特點。

4 控制系統設計

4.1 圖書識別模塊

該模塊采用MFRC-522 RFID傳感器和Raspberry Pi v2攝像頭，實現圖書信息識別和處理的功能。MFRC-522放置在機械臂的前端，采用13.56MHz非接觸式通信，圖書信息處理采用ISO14443A協議，與主機之間采用SPI模式通信，能夠快速有效識別圖書信息并將數據傳輸至微處理器進行處理。Raspberry Pi v2攝像頭安放在升降臺的下端，圖像處理采用Opencv，通過一系列圖像預處理進行圖像平滑對圖書縫隙進行檢測，再通過邊緣處理和直線檢測識別出書本之間的

空隙位置信息，通過圖像上圖書與機械臂的距離和寄存書架進行類比，精確控制圖書與機械臂之間的距離，保證圖書的準確抓取。

4.2 運動控制模塊

運動控制模塊由路徑檢測引導和運動控制構成，路徑檢測引導通過CCD對地面上的白色引線進行識別和紅外傳感器對路口實現計數完成機器人的精確定位。運動控制由四個直流驅動電機分別驅動四個車輪構成，通過陀螺儀對方向實時檢測，通過編碼器實現機器人運動速度的精準控制。

5 控制軟件設計

機器人軟件控制流程如圖3所示。通過樹莓派的大數據處理能力，將圖像上傳和圖像識別技術融為一體，通過在樹莓派上建立的書籍數據庫并利用RFID對圖書進行識別判斷，并將數據信息傳遞至STM32微處理器，其利用CCD攝像頭對地下白色引線進行識別以實現機器人的路徑引導和規劃，使用的CCD攝像頭時序為2ms。通過程序設定的變量i對路口的數量信息進行累加，由此判斷書籍應存放的具體書架，完成書籍的整理工作。

機器人行駛的轉向控制是基于四輪驅動輪式差數轉向原理設計，在機器人速度算法方面，使用了魯棒性很好的經典PID控制算法，在此基礎上配合使用理論計算和實際參數補償的方法，使機器人的運動更加穩定。在實際測試中發現由于場地摩擦力不同，左右二側電機性能的微弱差異以及驅動電路運行時電壓出現的微小偏差，結合實際情況在PID控制的基礎上給左側電機加以相應的速度補償，其具體補償為pwm*pwm*8/300+pwm/100，其中pwm為電機運動的實時轉速。

6 結束語

本文設計了一種能夠自主識別圖書信息并將圖書進行整理的機器人。該機器人采用STM32和Raspberry Pi作為主控單元，能夠實現實時避障及循線移動，對圖書進行抓取及識別圖書位置信息，并通過實時圖像檢測保證機器人運行的穩定性。本設計的特點是，在沒有人為干預的情況下，機器人能夠自主地對所需整理的圖書進行抓取、信息識別以及存放，實驗結果證實了設計方案的可行性與正確性。

參考文獻：

[1]晁艷普.基于分布式結構的圖書整理機器人系統設計[J].自動化儀表，2018，39（03）：44-47.

[2]張振，張琪，王新，等.基于主從式結構的智能圖書整理機器人的設計[J].電子設計工程，2014，22（03）：120-123.

[3]王躍虎，劉彥慶.一種基于物聯網和機器人技術的智能圖書館[J].圖書館工作與研究，2012（03）：29-32.

[4]姚飛，張成昱，陳武.清華智能聊天機器人“小圖”的移動應用[J].現代圖書情報技術，2014（Z1）：120-126.

[5]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（07）：24-28.