基于圖書(shū)自動(dòng)上架與盤(pán)點(diǎn)機(jī)械手的24小時(shí)圖書(shū)驛站全自動(dòng)方案設(shè)計(jì)

宋虎 王威 李書(shū)恒 錢(qián)坤 周瑜

摘 要：介紹了基于可編程控制器PLC的三軸機(jī)械手，利用三軸機(jī)械手與RFID技術(shù)對(duì)張家港市圖書(shū)驛站的圖書(shū)上架與圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)方式進(jìn)行改進(jìn)，建立了基于圖書(shū)自動(dòng)上架與盤(pán)點(diǎn)機(jī)械手的24小時(shí)圖書(shū)驛站全自動(dòng)方案。

關(guān)鍵詞：PLC;三軸機(jī)械手;RFID;圖書(shū)驛站;圖書(shū)自動(dòng)上架

1 緒論

為貼近居民生活，促進(jìn)全民讀書(shū)學(xué)習(xí)，作為全國(guó)首批先進(jìn)文明縣的張家港，在全國(guó)首創(chuàng)“圖書(shū)館驛站”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為圖書(shū)驛站）。圖書(shū)驛站自2013年成立至今，已具規(guī)模，讀者人數(shù)多、圖書(shū)流動(dòng)率高，受到張家港市民的熱烈喜愛(ài)[2]。圖書(shū)驛站全天候開(kāi)放，讀者可以在任何時(shí)間進(jìn)入驛站內(nèi)閱讀。但通過(guò)調(diào)研分析，張家港市圖書(shū)驛站在圖書(shū)自動(dòng)上架、圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)等方面尚有改進(jìn)空間。為了使圖書(shū)驛站免除傳統(tǒng)人工管理模式，同時(shí)解決圖書(shū)上架繁瑣、盤(pán)點(diǎn)易出錯(cuò)等問(wèn)題，使其更加人性化，自動(dòng)化，筆者將自動(dòng)化技術(shù)引入到圖書(shū)驛站中，利用PLC、三軸機(jī)械手、無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)（RFID）對(duì)驛站進(jìn)行改進(jìn)，旨在降低成本、提高圖書(shū)服務(wù)質(zhì)量并且提高管理效率，實(shí)現(xiàn)圖書(shū)驛站的全自動(dòng)化、無(wú)人化，構(gòu)建“全自動(dòng)化圖書(shū)館驛站”，使市民即使在喧鬧的都市中也能享受“無(wú)人的靜謐”。

2 圖書(shū)自動(dòng)上架系統(tǒng)

2.1 三軸機(jī)械手

三軸機(jī)械手硬件部分主要由四臺(tái)步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲桿、直線(xiàn)導(dǎo)軌等元器件組成，通過(guò)PLC控制四臺(tái)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲桿平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。滾珠絲桿是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的器件，可以將步進(jìn)電機(jī)的扭矩轉(zhuǎn)換成軸向反復(fù)作用力，采用滾珠絲桿能夠?qū)崿F(xiàn)精確快速的定位功能，從而使三軸機(jī)械手精準(zhǔn)夾取圖書(shū)實(shí)現(xiàn)圖書(shū)自動(dòng)上架。三軸機(jī)械手硬件框圖如圖1所示。

2.2 圖書(shū)自動(dòng)上架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖書(shū)自動(dòng)上架系統(tǒng)由三軸機(jī)械手、PLC、電氣控制柜、接近開(kāi)關(guān)、電磁式接觸傳感器組成。四臺(tái)步進(jìn)電機(jī)與絲桿組成三軸機(jī)械手，機(jī)械手的主電機(jī)X1的絲桿導(dǎo)軌鋪設(shè)在書(shū)架正面的地面上，絲桿導(dǎo)軌嵌入地面。電機(jī)X1實(shí)現(xiàn)X軸方向的移動(dòng)，電機(jī)Y1實(shí)現(xiàn)Y軸方向的移動(dòng)，電機(jī)X1與Y1實(shí)現(xiàn)三軸機(jī)械手在書(shū)架的各層移動(dòng)。電機(jī)Z1實(shí)現(xiàn)Z軸方向的移動(dòng)，電機(jī)A1通過(guò)控制兩塊夾板實(shí)現(xiàn)夾書(shū)動(dòng)作，電機(jī)A1前端的兩塊夾板高度為13cm，厚度為2mm，由精鋼制成，硬度高且不易損壞。兩塊夾板下方設(shè)有一個(gè)長(zhǎng)度為38cm，寬度為8cm的托板，防止電機(jī)A1在夾取圖書(shū)的過(guò)程中圖書(shū)掉落。4臺(tái)步進(jìn)電機(jī)相互配合，從而實(shí)現(xiàn)夾取圖書(shū)功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖2。

2.3 硬件選型

因?yàn)镻LC是圖書(shū)自動(dòng)上架系統(tǒng)的控制中心，步進(jìn)電機(jī)是三軸機(jī)械手的核心器件，因此本文的硬件選型，僅針對(duì)步進(jìn)電機(jī)與PLC。

2.3.1 步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是一種利用電脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制，能夠?qū)㈦娒}沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的角位移或直線(xiàn)位移的執(zhí)行體系。步進(jìn)電機(jī)由于受到電脈沖的控制，其轉(zhuǎn)子的角位移量和速度會(huì)嚴(yán)格地與輸入脈沖的數(shù)量以及頻率成正比，從而可以通過(guò)控制脈沖數(shù)量來(lái)控制角位移的數(shù)量，進(jìn)一步達(dá)到精確定位的效果，考慮到圖書(shū)上架過(guò)程精確度較高，因此選用步進(jìn)電機(jī)是最好的選擇。步進(jìn)電機(jī)的種類(lèi)十分豐富，根據(jù)其結(jié)構(gòu)可分為：反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)以及混合式步進(jìn)電機(jī)這三種。三種類(lèi)型步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，如下表所示。

綜合以上情況，最終選擇采用歐力傳動(dòng)的57步進(jìn)電機(jī)加上DM542步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。DM542屬于中低壓步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。采用最新的32位DSP技術(shù)，具有非常優(yōu)秀的性能，能夠滿(mǎn)足本系統(tǒng)的性能需求。

2.3.2 可編程控制器（PLC）

可編程控制器（PLC）是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，由于PLC具有功能強(qiáng)大、可靠性高、體積小巧、可擴(kuò)展各種智能模塊等特點(diǎn)，使其在自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用十分普及。

圖書(shū)自動(dòng)上架系統(tǒng)使用的PLC要結(jié)構(gòu)緊湊、擴(kuò)展性好、指令功能強(qiáng)大、價(jià)格低廉、且體積小，需要具有斷電保持功能、以太網(wǎng)通訊、同時(shí)輸出3路PWM脈沖輸出等功能，通過(guò)比較各類(lèi)品牌的PLC，最終選定西門(mén)子S7-200smart系列PLC作為圖書(shū)自動(dòng)上架系統(tǒng)的控制器，驅(qū)動(dòng)三軸機(jī)械手運(yùn)作。

2.4 系統(tǒng)原理

2.4.1 書(shū)架設(shè)置

張家港市圖書(shū)驛站按照?qǐng)D書(shū)的種類(lèi)，每個(gè)書(shū)架放置同種圖書(shū)，每個(gè)書(shū)架的圖書(shū)分布沒(méi)有特定規(guī)則，讀者按照個(gè)人興趣到對(duì)應(yīng)書(shū)架選取圖書(shū)進(jìn)行閱讀。在三軸機(jī)械手夾取圖書(shū)的過(guò)程中，電機(jī)Z1前端的夾板難免會(huì)損壞圖書(shū)，為了保護(hù)圖書(shū)在上架過(guò)程中不被損壞，將張家港圖書(shū)驛站的書(shū)架特殊處理。書(shū)架模型圖見(jiàn)圖3。書(shū)架每層設(shè)置間隔擋板，間隔擋板將書(shū)架隔離成一個(gè)一個(gè)書(shū)洞，書(shū)洞的長(zhǎng)度為40cm，略大于三軸機(jī)械手前端托板的長(zhǎng)度。間隔板的厚度為1cm，材質(zhì)為合金。間隔板兩側(cè)切割出一個(gè)厚度為3mm，高度為15cm的槽口。圖書(shū)擺放在書(shū)架時(shí)，不會(huì)占用槽口的空間。三軸機(jī)械手夾取圖書(shū)時(shí)，前端兩塊夾板從槽口進(jìn)入，然后夾取圖書(shū)，此方法可有效保護(hù)圖書(shū)不被損壞。槽口模型圖見(jiàn)圖3。

2.4.2 圖書(shū)自動(dòng)上架過(guò)程

首先，三軸機(jī)械手的初始化位置在書(shū)架左下側(cè)，位置見(jiàn)圖3。三軸機(jī)械手始終處于待運(yùn)行狀態(tài)。在書(shū)架的右下角通過(guò)設(shè)置間隔擋板，建立長(zhǎng)度為40cm的還書(shū)處。在還書(shū)處的右側(cè)內(nèi)嵌電磁式接觸傳感器觸頭，讀者將借閱后的圖書(shū)放在還書(shū)處，圖書(shū)驛站新增的圖書(shū)也放至?xí)艿倪€書(shū)處。當(dāng)還書(shū)處的圖書(shū)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，接觸傳感器感應(yīng)并動(dòng)作，并將動(dòng)作信號(hào)送至PLC。此時(shí)PLC開(kāi)始運(yùn)作，驅(qū)動(dòng)三軸機(jī)械手的主電機(jī)X1動(dòng)作，主電機(jī)X1到達(dá)還書(shū)處，電機(jī)Z1與電機(jī)A1動(dòng)作夾取圖書(shū)，夾取書(shū)完畢后，Y1電機(jī)與X1電機(jī)配合，將圖書(shū)送至閑置書(shū)洞，從而實(shí)現(xiàn)圖書(shū)自動(dòng)上架。

3 圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)系統(tǒng)

3.1 射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）

射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）主要由4個(gè)部分構(gòu)成，分別是閱讀器、應(yīng)答器、應(yīng)用系統(tǒng)和天線(xiàn)。射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）采用全新的無(wú)線(xiàn)信號(hào)監(jiān)控技術(shù)對(duì)目標(biāo)標(biāo)簽進(jìn)行掃描，根據(jù)掃描結(jié)果獲得標(biāo)簽?zāi)繕?biāo)的具體信息，是常見(jiàn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用之一[3]。如今，射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）在圖書(shū)館中的應(yīng)用十分廣泛，圖書(shū)館中90%以上的文獻(xiàn)借還服務(wù)利用了RFID技術(shù)。本文基于RFID的圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)系統(tǒng)利用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖書(shū)自動(dòng)盤(pán)點(diǎn)功能，能夠?yàn)樽x者帶來(lái)便利，同時(shí)節(jié)省圖書(shū)驛站工作人員的工作量。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)系統(tǒng)由射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）與三軸機(jī)械手構(gòu)成。圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)系統(tǒng)依托圖書(shū)自動(dòng)上架系統(tǒng)，射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）的閱讀器安置在三軸機(jī)械手前端夾板的中間，三軸機(jī)械手在書(shū)架各個(gè)位置移動(dòng)，RFID閱讀器即實(shí)現(xiàn)了對(duì)書(shū)架各層圖書(shū)的掃描盤(pán)點(diǎn)。圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)系統(tǒng)與圖書(shū)自動(dòng)上架系統(tǒng)關(guān)系緊密但又相互獨(dú)立。關(guān)系緊密體現(xiàn)在：RFID閱讀器對(duì)書(shū)架圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)是借助了三軸機(jī)械手的移動(dòng)，才得以實(shí)現(xiàn)。相互獨(dú)立體現(xiàn)在：RFID閱讀器通過(guò)耦合線(xiàn)圈發(fā)射出特定頻率的無(wú)線(xiàn)電波，實(shí)現(xiàn)與應(yīng)答器之間的數(shù)據(jù)信息交換，從而將圖書(shū)信息送入數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。此過(guò)程與圖書(shū)自動(dòng)上架系統(tǒng)并無(wú)聯(lián)系。

3.3 系統(tǒng)原理

對(duì)圖書(shū)驛站的圖書(shū)進(jìn)行盤(pán)點(diǎn)，主要分為4個(gè)步驟：（1）粘貼RFID標(biāo)簽;（2）注冊(cè)RFID標(biāo)簽并與圖書(shū)條碼關(guān)聯(lián);（3）閱讀器掃描;（4）數(shù)據(jù)庫(kù)更新。在圖書(shū)驛站建成時(shí)，圖書(shū)數(shù)量較多，此時(shí)，將所有圖書(shū)按照種類(lèi)放到對(duì)應(yīng)的書(shū)架上，PLC驅(qū)動(dòng)三軸機(jī)械手的X1、Y1電機(jī)運(yùn)作，按照從上到下，從左到右的順序掃描書(shū)架各層圖書(shū)，三軸機(jī)械手前端的RFID閱讀器對(duì)圖書(shū)標(biāo)簽進(jìn)行掃描閱讀并將圖書(shū)信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)。這種方式，精確度高、耗時(shí)少，大大提高了圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)的效率。此時(shí)的數(shù)據(jù)庫(kù)包含了圖書(shū)驛站所有圖書(shū)的信息。

在圖書(shū)驛站的日常運(yùn)行中，數(shù)據(jù)庫(kù)圖書(shū)信息的更新有以下兩種方式：（1）圖書(shū)驛站增加新書(shū);（2）讀者借還書(shū)。在圖書(shū)驛站建成后，不定期增加的新書(shū)數(shù)量較少，因此，采用同一種方法對(duì)圖書(shū)驛站增加的新書(shū)與讀者歸還的書(shū)進(jìn)行盤(pán)點(diǎn)。方法如下：圖書(shū)驛站增加的新書(shū)也放至?xí)艿倪€書(shū)處，等到還書(shū)處的數(shù)量到達(dá)一定數(shù)量并觸發(fā)接觸傳感器時(shí)，三軸機(jī)械手將圖書(shū)上架，在主電機(jī)X1運(yùn)行到還書(shū)處時(shí)，機(jī)械手前端的RFID閱讀器開(kāi)始運(yùn)作，對(duì)還書(shū)處的圖書(shū)進(jìn)行掃描盤(pán)點(diǎn)并將圖書(shū)信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)。

3.4 遺失盤(pán)點(diǎn)

對(duì)于RFID技術(shù)下的圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)系統(tǒng)，過(guò)一段時(shí)間就需要進(jìn)行全面盤(pán)點(diǎn)，清除一些遺失數(shù)目及其標(biāo)簽，以保證RFID的標(biāo)簽?zāi)軌蛘５倪\(yùn)行?？紤]到張家港市圖書(shū)驛站24小時(shí)營(yíng)業(yè)、圖書(shū)流動(dòng)頻繁等特點(diǎn)，設(shè)定圖書(shū)驛站的閉館時(shí)間為每周一8：00—12：00，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，利用三軸機(jī)械手對(duì)圖書(shū)驛站內(nèi)所有圖書(shū)進(jìn)行掃描盤(pán)點(diǎn)，讓數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)地為圖書(shū)館全面盤(pán)點(diǎn)一次，找出遺失、錯(cuò)誤的圖書(shū)或RFID標(biāo)簽。

4 結(jié)語(yǔ)

張家港市圖書(shū)館驛站的工作人員是來(lái)自張家港市的志愿者，且多為中年女性，頻繁的圖書(shū)上架對(duì)于部分中年女性而言不是十分輕松?；趫D書(shū)自動(dòng)上架與盤(pán)點(diǎn)機(jī)械手的24小時(shí)全自動(dòng)方案將使圖書(shū)驛站提供全自動(dòng)化服務(wù)，改進(jìn)后的圖書(shū)館驛站以全自動(dòng)的方式節(jié)省圖書(shū)借還時(shí)間，減少工作人員的勞動(dòng)，使市民閱讀方式更為便捷。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：宋虎（1998—），男，江蘇徐州人，大學(xué)本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化;王威（1998—），男，江蘇鹽城人，大學(xué)本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化;李書(shū)恒（1998—），男，江蘇徐州人，大學(xué)本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化;錢(qián)坤（1999—），男，江蘇宿遷人，大學(xué)本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化;周瑜（1984—），女，江蘇張家港人，博士在讀，實(shí)驗(yàn)師，主要從事工業(yè)自動(dòng)控制教學(xué)與研究。