無人化檔案館管理機器人關鍵技術研究

于淼 張穎 王棟 崔建偉

摘? 要：檔案是社會發展的活化石，是智慧企業的重要組成部分。近年來，檔案庫藏數量的快速增長與檔案管理、編研服務需求之間的矛盾十分突出。

關鍵詞：智能機器人;無人化檔案館;條形碼

中圖分類號：TP242? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）35-0015-03

Abstract： Archives are the living fossils of social development and an important part of smart enterprises. In recent years， the contradiction between the rapid growth of the number of archives and the demand for archives management and compilation and research services is increasingly prominent.

Keywords： intelligent robot; unmanned archives; bar code

1 概述

檔案工作是一項記錄歷史、傳承文明、服務社會、造福人民的事業，是一項黨和國家事業發展不可或缺的基礎性、支撐性工作，為企業和經濟社會的發展作出了重要的貢獻。檔案館建設還是智慧城市建設的一部分，1994年在澳大利亞阿德萊德召開的信息通信自動化會議上首次提出“智慧城市”以來，作為智慧城市建設的一個組成部分，智慧檔案館的研究與建設備受檔案界重視，學術研究比較活躍。我國自2012年著手智慧城市建設以來，面向智慧檔案館的各項工作逐步展開和落實，并取得階段性成果。

2 檔案管理機器人的結構和控制技術

檔案機器人由移動底盤、升降臺和6DOF的輕型機械臂、條碼識別和RFID閱讀器組成。

2.1 無人化檔案館庫檔案定位及其盤點裝備的定位技術研究

智慧城市的首要問題是城市元素的定位，對檔案進行準確定位同樣是實現檔案自動化管理首先要解決的問題。此外，為實現智能機器人在館庫的自動行走，機器人本身也存在一個定位問題，定位技術還影響到機器人的總體設計方案。

目前已經發展出多種成熟的城市目標定位技術，如常用的北斗、GPS適合于室外目標的定位;適合于室內目標的定位技術也有多種，如紅外定位、超聲波定位、WiFi定位、藍牙定位、超高頻和RFID定位、視覺定位等多種技術。這些定位技術已經有應用于圖書館機器人的報道。

研究已有定位技術并考慮檔案館的特點，提出如下機器人和檔案方案：

基于條碼和RFID技術，實現檔案定位到盒，盤點到件的目標：

分析比較上述參考文獻幾種定位方法的原理、特點和性能，可以發現近場RFID定位技術作用距離可以控制，能在幾毫秒內得到檔案的大致位置，同時從眾多檔案中獲取檔案的標識信息，而且RFID標簽的體積小，造價低，易于安裝，是目前最適合于檔案庫房內檔案定位和識別的技術。為了實現檔案盒的精確定位，在每個檔案盒上粘貼檔案號條碼標簽，就可以實現檔案盒相對于機器人的坐標定位、以及檔案盒在架體的相對順序定位。

2.2 機械臂的結構及其運動方程求解

目前市場上已經有多種輕型機械臂供選擇，這些機械臂多參考了丹麥UR機器人的構形，本項目也采用這種機械臂，但針對檔案機器人的特點作了適當調整。如：針對原機械臂外形尺寸偏大，修改了機械臂的內部結構，使外形尺寸變“細”，避免了圖2中的第二關節旋轉180°時與第一關節的干涉，相應地擴大了機械臂的操作空間;又如：將小臂連桿長度359.8（如圖中虛線所示）加長至545.8，避免了小臂連桿與其它關節間的干涉。

機械臂自身座標系中的DH運動方程是：

式中，θi表示各關節轉角，di表示各關節連桿長度，分別在圖2中標出。對于給定的關節轉角，機械臂末端的位姿矩陣由下式給出：

由于檔案架各層高度是確定的，實際調試時無須求出運動方程的逆解，而是采用試算和現場實驗的方法得到機械臂盤點時的關節變量參數。試算的優化約束條件是：

條件1：機器人的重心坐標離車體幾何中心最近。

條件2：機械臂的所有部位占據的X方向尺寸最小。

試算結果如表1所示。

2.3 系統集成

檔案機器人是復雜的機電一體化設備，有多種電氣設備，因此設計多總線集成控制系統。

移動機器人模塊的驅動系統主要由四臺空心杯電機驅動四個行走輪（麥克納姆輪）實現檔案館庫內的平行移動，每臺電機上都有一個增量式編碼器用以測量行走輪的行走速度，并用來估算位移，四臺電機接入一個六軸控制器。移動機器人安裝有48V25AH鋰電池供電，電源管理系統包括電流保護開關、12V、5VDC-DC電源變換器可以給移動機器人的內部測控設備供電，并設有電壓——電量檢測功能，用于管控電池電量和電量補充管理;導航傳感器陣列由IIC總線連接。驅動、電源管理、導航三大系統通過CAN總線接入移動機器人的微控制器，微控制器通過RS232總線與機器人控制計算機連接。

機械臂模塊的六個關節采用模塊化設計，關節與關節之間通過CAN總線連接至機器人的控制計算機，由控制計算機上的機械臂控制軟件直接控制每個關節。可以看出，移動機器人、機械臂關節都視同CAN總線的一個節點。

盤點儀器有條碼識別和RFID識別兩個模塊，由機械臂末端關節供電。由于盤點檔案時通訊速率很高，為了避免總線阻塞引起機械臂的誤動作，通過藍牙總線與控制計算機通訊。

機器人的控制計算機還通過WiFi總線與監控室的檔案庫管理系統實現數據連接，用于接受盤點指令、下載授權檔案管理信息、并上傳檔案定位盤點結果。

3 實驗情況

完成的系統在江蘇省電力公司的檔案庫進行了功能實驗，場景如圖1所示。該檔案庫為江蘇省公司新建的檔案館，南北距離約40米，東西約25米，中間過道寬約3米，完全采用電動密集架管理檔案，電動密集架的動作完全受控于監控室。

密集架分為AB（東西向）兩個區，每個區又分為1-4個小區，共8個小區。每個區的密集架數量不等。每個密集架長度為10米，又有前后兩側。每層密集架分為6層，總高度2.4米，每層又分為11節，每節寬度約0.9米。相鄰兩個架體間的通道寬度僅0.8米，與機器人0.6米的寬度相比，顯得十分狹窄。

在庫區的所有工作通道進行實驗，機器人均可安全通過。其中機器人在中間主過道的速度為0.6米/秒，接近人行走的速度;在工作區的速度視工作情況不同，以適合盤點儀器的工作能力為準。表明機器人的導航定位能力是有保證的。

在AB兩側架區內各選擇了4個架面進行實驗，機器人完全可以以工作姿態通過工作區，表明機器人有狹窄區間內完成作業的能力。

在實驗區分別放置了單件檔案盒和多件檔案盒。其中多件盒按5、10、15、20、25、30、50的密度各放滿一節檔案架，機器人可以準確地實現按盒定位、按件盤點的功能。

還通過人為擺放檔案，進行了丟件、錯件、錯位實驗，盤點報表均可反應相關結果，也表明機器人具有錯件查找能力。

4 結束語

從2018年5月初開始研發盤點機器人，共完成了兩代機器人的研發，實現了檔案的自動化盤點，從實體檔案的密度看，有些2厘米厚的檔案盒內裝了100多件技術圖紙，相當于有100多件檔案，盤點儀器還不能勝任如此密度情形下的按份盤點任務，表明盤點儀器的性能仍然有進一步提高的必要。另一方面，也有8厘米厚的檔案盒內僅有裝訂成冊的1厚本檔案，相當于僅有1件檔案，也表明，為了實現無人化檔案館管理，也有必要從檔案管理角度規范分冊管理標準。

此外，為了便于實體檔案的調閱，還應當積極研發檔案存取機器人。目前正在完成自動存取機器人的研發。

參考文獻：

[1]王媛媛.國內智慧檔案館的現狀與發展[J].蘭臺世界，2017，4：19-20.

[2]項政.基于TOA/AOA的非視距減弱混合定位算法研究[D].南京郵電大學，2016.

[3]張勝軍，林若琳.淺談室內定位技術現狀[J].測繪與空間地理信息，2018（7）：128-131.

[4]中華人民共和國專利.一種智能檔案盒CN107053891A[P].

2017-8-18.

[5]中華人民共和國專利.基于RFID技術的檔案柜及文檔管理裝

置CN103793963B[P].2016-9-7.