情景共融環境下圖書館盤點機器人的發展研究*

沈奎林，邵 波，陳力軍

（1.南京大學圖書館，江蘇 南京 210023；2.南京大學計算機科學與技術系，江蘇 南京 210023）

技術的發展推動行業的轉型和跨越式發展。從數字圖書館到智慧圖書館的發展，每一步都在見證技術的進步推動行業的發展。人工智能、機器智能、深度學習、情景感知、智能交互等等技術的應用，推動了圖書館的智慧服務手段：智能推薦、語音識別、空間感知、人臉識別、虛擬導航、機器人等，越來越多的圖書館在嘗試將這些新技術新理念引入圖書館的服務當中。圖書館智能盤點機器人即是這個行業的典型代表。

1 盤點機器人的研究和應用現狀

機器人的應用十分廣泛，從設備制造到農業檢測，從物流服務到家政服務，從電子商務到電子政務，各種形態的機器人參與其中。但是在圖書館行業，機器人的應用時間并不長，國內外的相關學者和圖書館從業人員一直在探索和研究。智能盤點機器人的出現解決了圖書館圖書盤點、圖書錯架、圖書誤排、圖書被偷藏等問題。樊慧麗和邵波［1］回顧了圖書盤點技術發展歷程,對智能機器人圖書盤點的優勢、局限和未來發展進行了實證分析和思考。沈奎林［2］等人基于超高頻RFID技術,研制開發了智能圖書盤點機器人,在應用中取得了較好的效果。倪劼［3］探討了使用RFID 設備進行圖書盤點的關鍵技術。認為使用該設備將大幅降低圖書館員在圖書盤點工作中所花費的時間,在一定程度上能夠促進圖書館服務方式的轉變。劉建峰［4］將RFID 技術與機器人技術相結合,提出設計一款能夠自動完成盤點的機器人,并對其結構進行了設計與仿真研究。張宣政［5］設計研究一種書庫自動盤點機器人小車,利用超聲波測距作為導引方式,擁有自動避障功能,來實現在圖書館書庫中自動導引行走的功能,同時在小車底盤上設計了一種電機驅動的牙嵌式離合器結構,可方便地進行人力推行和自動行走兩個狀態之間的轉換。陳力軍［6］等人設計了一種基于RFID 技術的自動式圖書智能盤點機器人，利用RFID 技術中的自動識別技術和射頻相位技術，以及機器自動化技術，實現了自動化全館圖書盤點功能，并且精確快捷地實現圖書館圖書盤點，從而使得圖書管理人員可以方便、迅速地查找和管理圖書。陳慧香和邵波［7］調研了國內外圖書館領域機器人的相關文獻,梳理出圖書館機器人的發展歷程,借鑒其他領域先進的機器人技術,展望智慧圖書館時代圖書館機器人發展的趨勢。張文竹和邵波［8］預測未來圖書館機器人的推廣應用將更加規模化,更加注重與人工智能技術融合,具有更強的硬件設備與運動能力,并更加注重人機協作。Thomas Guthrie Zimmerman［9］以零售店商品的盤點為例，詳細說明了商品盤點信息和圖片數據庫的生成過程和關鍵技術。這些研究成果給圖書盤點提供了有益的借鑒。Morenza-Cinos M［10］等人提出了一種新的機器人，用于在零售店中清點和定位所有產品，而無須安裝任何固定的基礎設施，這個機器人將激光制導的自主機器人底座與由多個RFID讀卡器和天線以及3D攝像機組成的射頻識別（RFID）有效載荷結合在一起，用來盤點商品。Jian Zhang［11］等人設計了機器人，它可以自動生成一條路徑，覆蓋給定商店地圖邊界內的所有商品，然后按照生成的路徑執行庫存，此機器人能夠在布局復雜的銷售平臺上高效的執行基于RFID 的庫存，并提供了與手工庫存相比更為準確的庫存。J Thirumurugan［12］等人設計了一種采用傳感器控制電機的線跟蹤機器人，以跟蹤為圖書館書架布置而預先確定的線路徑。機器人攜帶條形碼閱讀器，從垂直排列的書籍中收集條形碼數據，并將解碼后的條形碼數據與搜索輸入進行比較。如果機器人到達要找到的書，那么機器人會將書的位置提供給圖書管理員或訪問圖書館的人，在圖書館中機器人用于搜索。機器人在搜索過程中遇到障礙時，會暫停并發出警報。可以使用機器人中預先編程的數據重新排列放錯地方的書籍，這有助于保持書籍的順序排放正確。這有助于簡化書籍的整理工作，也減少了圖書館工作人員的手工日常工作。Isaac Ehrenberg［13］等人介紹了一種配備有RFID閱讀器的機器人libbot，它可以自動完成以前手動讀架的過程，并自動找到放錯地方的書籍。實驗表明，此機器人輔助庫存管理方法不僅能夠檢測出錯位書，而且能夠確定書架上的書的順序，甚至可以精確地定位至幾厘米。Jia Liu［14］等人提出了一種將機器人技術與射頻識別技術相結合，實現貨架自動掃描的智能射頻掃描儀系統。前者用來取代圖書館員，從繁重的體力勞動中解放出來。后者安裝在機器人上，與機器人一起移動掃描書架上的書。我們提出了圖書館員關心的兩個重要問題：圖書定位和圖書檢測，并給出了完善的解決方案。

從調研來看，圖書館智能盤點機器人的研究起步較早，有很多相關學者進行了理論研究和模型研究，大多數的機器人處于試驗階段。真正的應用要數南京大學圖書館和新加坡圖書館了。南京大學圖書館聯合南京大學計算機科學與技術系陳力軍教授團隊合作，主要研制圖書館智能盤點機器人，目前已經是第四代機器人，超高頻RFID 和高頻RFID 的都有。在應用的過程中，不斷迭代更新軟件和設計，有很多的優點，當然在新的環境要求下，也反映了一些不足之處。

1.1 基于RFID的圖書館智能盤點機器人

目前，國內很多公共圖書館、高校圖書館的自助設備都借助于RFID 傳感器來實現，有不少已經應用了基于RFID 的全套系統。在實際運行的過程中，館員們發現，RFID 系統中圖書盤點功能最弱，一般是推車掃描儀、手持掃描儀，存在許多不足之處。在這種情況下，南京大學計算機系和南京大學圖書館聯合研制了首款智能盤點機器人［15］，取得了諸多首創，在圖書館界引起了廣泛的討論和研究。目前美國、德國和新加坡等國家也在研制類似機器人［16］，基于超高頻RFID的盤點機器人確實解決了圖書盤點、錯架亂架、讀者藏書等一些問題，解決了人工不能解決的問題，并且可以在圖書館不開放的時候自己工作，沒電了可以自動充電，不會影響到圖書館正常開放。

1.2 盤點機器人的不足之處

圖書館的盤點機器人主要用于在無人值守的情況下進行書籍的數目盤點、錯架提示等，存在的一些需要完善的地方有如下幾個方面：（1）盤點機器人還不能實現自動將書上架的功能，這個方面涉及很多知識，是一個世界性的難題；（2）盤點機器人都是單打獨斗，各自負責工作，盤點機器人之間、盤點機器人和人之間、盤點機器人和書本之間的交互還是個盲點；（3）盤點機器人對環境的感知還主要依靠虛擬地圖和底部激光定位，對環境要求稍高，在人數比較多的情況下，盤點機器人的定位可能會受到干擾。在這種情況下，研制共融機器人就顯得十分必要。

2 共融機器人的相關概念與關鍵技術

《中國智造2025》的發布引起了廣泛的關注，其中有關機器人領域的技術路線尤其令人關注，國家制造強國建設戰略咨詢委員會組織專家解讀了系列綠皮書，從工業機器人、服務機器人、機器人國家標準、國家機器人檢測與評定中心四方面解讀了國內外發展現狀、發展重點與發展路徑，重點介紹了與人共融機器人，提出我國發展機器人的機遇與挑戰［17］。共融機器人（Coexisting-Cooperative-Cognitive Robot, Tri-Co Robot）有三個要點，即共存（Coexisting）、協作（Cooperative）與認知（Cognitive），分別保證了機器人應用的普遍性、機器人交互的協調性和機器人對復雜環境的適應性，從而增強與作業環境、人及其它機器人之間的交互能力。王天然院士［18］認為，人類發明機器代替人勞動，不是要把自己排除在外，而是要和機器人共處。何玉慶［19］等人研究機器人發展新趨勢，將傳統機器人特征歸納為：人機空間隔離、機器與人非接觸、預編程自主能力、示教盒/遙控器交互。而“與人共融”機器人的特征是：人機同一空間、機器人與人自然交互、配合人的需求、學習人的技能、與人協調互補、確保人機物安全。他們總結了共融機器人的關鍵技術：（1）行為合作的機器人機構與本體技術；（2）機器人對環境、以及人行為的感知與理解技術；（3）人機互助優化決策與自主學習技術；（4）行為方式與安全機制技術；（5）人機自然交互技術。

丁漢［20］認為：機器人將來的發展前景廣闊，這得益于人工智能、新材料以及應用幾方面的技術快速發展。在智能制造核心技術中，一個是數字制造技術，一個是傳感技術。機器人將來的核心問題可能在三個方面：一個是機構，需要有這樣的順應性；另一個是外感知，多模態，機器人要對環境有認知；還有一個是分布協調控制。這些都是支持我們改變機器人發展必不可少的一部分。

3 盤點機器人的情景共融設計

新浪科技總結了當今科學家對2 100 年生活的十大預測：能上網的隱形眼鏡、人體器官商店、讀心術、滅絕動物復活、人類與機器人融合、變形、建造星際飛船、戰勝癌癥、延緩衰老、太空電梯［21］。其中就有人機融合。當然在智慧圖書館的建設中，人機共融的概念相對要窄一些，容易實現一些。目前，機器人的發展和以前相比有了新的需求，拓寬了應用領域和交互性（見表1）。

表1 機器人技術新需求

在智慧圖書館的建設中，基于RFID 芯片傳感器的應用非常重要，以圖書館智能盤點機器人為核心的拓展應用應該是智慧圖書館發展的一個方向，而機器人和人共融、機器人和圖書館空間共融、機器人和機器人之間的共融是研究的重點方向。

3.1 機器人與書架之間的融合

圖書館盤點機器人依靠上下伸縮的讀卡器讀取圖書中間的RFID 芯片信息，來和數據庫比對，獲得圖書的排架信息，判斷圖書冊數和排架正確與否，將盤點信息及時通過機器人上的屏幕、微信通知等方式展現出來。不少研究人員和機械設計人員在研究圖書自動上架和抓取機械臂，朱曉霞［22］探討了圖書館智能化文獻自動拾取機器人的移動平臺設計、機械拾取手臂設計、機械手夾持器設計以及機械手整體設計案例，力圖為全面了解圖書館智能化機器人技術提供參考；馮銀花［23］提出智能倉儲系統，通過給每本書分配物理地址、在地面設置二維碼，讓機器人在書庫中自主導航、自動取書，真正實現圖書的智能倉儲。

3.2 機器人與空間的融合

機器人在書架間行走，依靠的是虛擬地圖，具有一定的局限性，如果格局變了就得重新構建虛擬地圖。另外，環境的變化也妨礙會影響到它的工作，比如沙發、人的位置變化等。機器人與空間融合，就必須自己感知充電地點的改動、書架的挪動、沙發等擺放位置的改變，自適應環境的變化，無須人為構建地圖。如果機器人被移到另一個樓層，它應該可以識別出新的環境，依靠RFID定位點或其他同層的機器人來定位自己，快速適應工作，而不是像現在換了樓層，機器人并不知道發生了什么導致不能正常行走。

SLAM（同步定位與地圖構建）是目前移動機器人研究的重點課題之一。它是在無先驗知識條件下，構建高精度環境地圖模型，并實現高精度定位的重要技術手段［24］。盤點機器人在自身位置不確定的情況下，在移動的過程中需要能感知環境，并且根據位置估計和傳感器數據以及攝像頭等進行自身定位，同時能夠建造增量式地圖，感知到整層樓中書架排放等環境，然后利用構建的地圖進行自主定位和導航。

3.3 機器人與機器人的融合

現代化的圖書館基本都是大空間開放式環境，服務于圖書館的盤點機器人不止一臺。機器人之間應該有很好的交互功能，就像蟻群之間通過觸角通訊一樣。不同的是，機器人之間主要是共享數據和位置信息，在機器人互相接觸的時候判斷對方來自什么區域，能及時進行數據的交換，進行書本信息的狀態更新，以節省時間成本和自充電成本。

目前南京大學在研究智能書車，即裝有RFID芯片和讀卡器的小車子，車子按圖書大類簡單區分，設置可以放置約100 本書。當讀者在門口自助還書后，放入智能書車，車子可以即時感知到書的信息、位置和已還狀態。當擺滿后，能自助去到上架的館員身邊。如果盤點機器人解決了機械臂上書問題，智能書車就會自動去尋找盤點上書機器人。

3.4 機器人與人的融合

機器人和人的融合，一般指三種情況：（1）智能融合-通過人與機器人在感知、認知、決策等不同層面上的互補，提升人機共融系統的智能水平；（2）行為協調-在緊密接觸的情況下，人與機器人在行為上一致、協調、互助；（3）任務合作-在人機共享動態環境下，人與機器人相互配合共同完成一個指定的任務。圖書館的智能盤點機器人是工作人員的補充者，而不是完全替代者。盤點機器人需要配合圖書管理人員的上書工作，比如及時提醒位置和狀態，引導人員去在正確的地方上書。盤點機器人可以感知周圍活動的人，可以自動讓路或停止等待等，更好的服務狀態是對于讀者夠不著的書，接收讀者指令幫讀者取書。圖書館其他機器人可以通過RFID 類的卡片（如學校用的一卡通）來識別讀者，給讀者以個性化的服務：超期提醒、預約提醒、位置指引或者推薦圖書等功能。曾子明等人［25］從智慧圖書館的概念和特點出發，提出融合情境感知的智慧圖書館個性化服務模型，分析該服務模式構建方法，探討將情境感知運用于智慧圖書館可能存在的問題。因此，這種融合情景的機器人，是圖書館機器人的發展方向。

4 結語

圖書整理、排序、盤點和找書是圖書館重要的業務。RFID 以其眾多的優點被很多圖書館用來管理圖書，但是在現行的RFID 技術下的圖書館整體解決方案中，圖書盤點和解決錯架是其中的難點。圖書館盤點機器人的出現基本解決了這個難題，然而在新的需求下，特別是AI（人工智能）和IA（智能增強）的發展對于共融的需求越來越多。情景融合型智慧圖書館中共融機器人的發展是趨勢，也是新環境下的產物。