對自助圖書館的取還書機構結構的重新設計與優化

閆冰輝 李玉曉 周雄 郭朝輝 王訓 夏鵬

（東北林業大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150000）

近年來，大數據、互聯網、云計算等飛速發展，推動人工智能技術取得了巨大的進步，逐步從理論研究過渡到實際應用。語音識別、圖像處理、大數據分析等人工智能技術都實現了技術突破，為后續在各個領域發揮作用提供了技術保障[1]。圖書館作為人獲取知識的重要渠道，需要為人們提供各類信息、知識，因此需要收集規模龐大的各類書籍。而這些書籍的整理、歸檔需要花費大量的人力，讀者想要查閱也要花費一定的時間，影響了借書效率甚至讀者的閱讀體驗。傳統圖書館的缺點是查閱不方便，在這背景下，基于人工智能技術的自助圖書館應運而生。本文運用到的技術便是近些年在各大圖書館自助服務改革中引入的RFID 技術。RFID 技術是Radio Frequency Identification 的英文縮寫，即無線射頻識別，是一種通信技術，又稱電子標簽，是一種通過無線射頻信號實現自動識別而非接觸式的技術[2]。RFID 技術的射頻信號可自動識別和收集區域內的信息數據，實現無人工自動識別。目前，RFID 技術在圖書館領域的應用已經解決了圖書館的日常業務需求，包括圖書自助借還、圖書盤點、圖書定位和安全防盜等[3]。但由于這一技術的應用尚未完全成熟，本文將對圖書自助借還的優化展開。

1 圖書的自助取還- 智能取還書機械手

以一自助圖書館服務機系統為例，該系統主要由客戶服務操作終端，瀏覽書架，圖書館網絡終端，圖書信息瀏覽面部，輔助部件等組成。客戶服務操作終端是自助圖書館服務機系統的核心部分，負責自助借還書功能的實現，其功能通過取書機械手的空間運動實現[4]。基于這一背景下，我們對其中的核心部分——如何自助借還書進行了取還書機構的優化設計，并根據它的功能將其命名為智能取還書機械手。

2 智能取還書機械手的結構

如圖1 所示，支架1 一方面作為整個機構的支撐部分，另一方面又是機械手空間運動的豎直導軌，取還書部件通過在其上縱向運動來達到與圖書相平的豎直高度。取還書部件同時又安裝在由滾珠絲桿驅動的水平滑軌上，并通過在水平導軌上橫向滑動來找到與書縫相齊的最佳工作位置。為方便描述，將負責取下書架上圖書的機構稱為取書機械手，而將負責把圖書放回原書架上的機構稱為還書機械手。支架的頂部安裝有還書箱，負責盛裝等待放回書架的圖書，還書箱的箱體相對地面具有15°的傾斜度，工作時，書箱后部的電動推桿推動最下側的圖書，將書通過箱門推出，箱門外側有一組壓簧，通過壓簧和弧形箱門保證圖書垂直箱體底面被推進柔性輸送帶。在還書箱和還書機械手之間的豎直空間內有一條連接兩機構的柔性輸送帶，負責將還書箱內的圖書運送至還書機械手上。還書機械手的正下方有一取書箱，負責接住取出的圖書。在取還書機械手上安裝有RFID 讀取模塊和opencv 攝像頭，用于識別圖書和確定圖書的位置，如圖2。

圖1 還書書箱側視圖

圖2 取還書整體結構

2.1 取書機械手的運動

如圖3，為了準確地取下圖書，取書機械手的運動設計來源于人手取書時的動作的抽取與簡化。取書機械手的上端有兩組電動推桿，其中一組推桿驅動平行四連桿，連桿的最前端伸出與一塊三角形橡膠撥片鉸接。

圖3 取書機構

根據自由度計算公式：

其中，可活動構件n=3，平面低副PL=4，PH=0，可以計算出自平衡擔架的自由度為1。此時由電推桿提供動力，可以使擔架具有確定的運動軌跡。

撥片的下方是一只張開的小夾手。為了避免因取書機械手距離圖書太遠導致無法接觸圖書，取書機械手的另一根電動推桿被設計來推動由19 號推桿連接的連桿及撥片向靠近書架方向運動來接近圖書。工作時，19 號推桿驅動連桿，使撥片給圖書上部書角一個向下和向外的力，兩個力的合力使圖書以書脊繞底部書角向外旋轉，使圖書繞底部書角旋轉向外運動。圖書上部分露出書架，然后由小夾手夾持露出的書角將圖書抽出，待取書機械手運動至取書箱的上方，小夾手松開，圖書落入取書箱內。為了保證夾手可以夾住露出的書角，可通過減小小夾手與撥片的豎直距離，且經多次試驗小夾手都能夾住露出的圖書，取書機械手的工作步驟：初始狀態：機械夾手閉合，一號氣缸收縮，二號推桿收縮；

步驟一：機械夾手張開指定寬度。

步驟二：一號氣缸前伸，撥手向前平移。

步驟三：二號推桿推出同時伴隨著一號氣缸收縮，撥手將書撥出一角——需要視覺識別書本的位置。

步驟四：機械抓手夾緊書的一角——視覺檢測是否成功將書夾緊。

步驟五：整體機械結構向后平移，將書本拉出書架。

步驟六：機械抓手張開，釋放書本落入下方書箱。

2.2 還書機械手的運動

如圖4，還書機械手同樣利用了人手還書時的動作。還書機械手前端為兩塊相同的撐書板，撐書板由正反牙雙向絲桿驅動，負責夾住等待歸還的圖書。在兩塊撐書板之間中部有一電動推桿，負責推書。撐書板的正下方有一水平的承書板，負責接住柔性輸送帶里落下的圖書。機械手的后端是一根電動推桿，推動機械手向靠近書架方向運動，以保證還書時機械手能伸入書架內。還書時，待歸還的圖書從還書箱內通過柔性輸送帶落入到兩個撐書板之間的承書板上，通過電動推桿工作，推動撐書板插入目標書縫，接著正反牙雙向絲桿旋轉，內嵌的螺母帶動撐書板沿絲桿軸向相背運動，從而帶動兩個撐書板展開，騰出放書空間，最后由兩撐書板之間的電動推桿抵住書脊，將書推至目標書縫，然后機械手抽離書架實現自動還書。柔性輸送帶的作用是防止圖書落入承書板上時歪斜，保證書可以筆直地落入承書板上，從而保證兩撐書板間的推桿可以抵住書脊將書推進書架。還書機械手的工作步驟;初始狀態:夾書板張開到最大的位置，三號四號氣缸收縮，一號電動推桿收縮狀態。

圖4 還書機構

步驟一：電動推桿前伸到既定位置將書本從上方書箱中推出順著柔性滑道落入夾書板中。

步驟二：步進電機旋轉夾書板將書本夾緊——視覺檢測書本的寬度產生停止信號。

步驟三：三號氣缸前伸到既定位置將書本插入書縫中——視覺識別書縫的位置。

步驟四：四號氣缸前伸氣缸頂著書脊把書完全推入書架中識別到完全插入書中——視覺識別后發出停止給氣信號。

步驟五：三號氣缸收縮，四號氣缸保持不動將機械手從書縫中拔出- 視覺需識別判斷是否成功。

步驟六：四號氣缸收縮，回復初始位置。

2.3 機械手壓力檢測機構

對于取書機械手，要使所有的圖書都能被撥片撥出，在假定所有書的摩擦系數都近似相等的條件下，只需要滿足能將圖書館中最高和最重的一本圖書撥出即可。以一本大16K精裝書為例，書高297mm，書寬210mm,書厚50mm，鑒于圖書館內大部分圖書的質量都不到500g，我們取700g 作為書架上最難被取下那本書的質量，使其繞書脊轉動，用拉力傳感器連接在撥片和連桿之間，即可測得這個最大拉力值。而要滿足夾手可以將露出的圖書抽出，同樣只需要滿足能將最重的圖書抽出即可。經仿真可得出撥片需要提供的最大力為35N，如圖5。

圖5 取書機構工作時輸出力仿真

對于還書機械手，撐書板伸入書縫后，需要向兩側張開將圖書撐開，我們將一壓力傳感器放置在撐書板和與撐書板接觸的圖書之間，在撐書板中心處施加一個垂直于撐書板的力，隨著這個力緩慢增大，當撐書板能推動圖書運動時，記下壓力傳感器的示數，再將該示數乘以撐書板中心到正反牙雙向絲桿的垂直距離，所得結果即為絲桿需提供給撐書板的動力。為保證絲桿提供的力能夠驅動撐書板的運動，應盡量選擇圖書緊湊接觸且圖書寬度和厚度較大的圖書來計算壓力，并需要多次試驗，取最大值，最后將測得的結果代入，實驗觀察撐書板能否推動圖書。

對于撐書板之間的推桿，可在其上安裝一壓力傳感器以判斷是否將圖書完全推入書架和避免推桿過度伸入導致圖書縱向彎曲。

2.4 摩擦力的利用和克服

在取書機械手的撥片和小夾手處，可緊貼一層橡膠，因為橡膠與大多數圖書的之間的靜摩擦因數較大，能在較小力下撥動和夾緊圖書。而還書機械手呈書板上表面要保證足夠光滑，以減小推桿推圖書時的阻力，如表1。

表1 橡膠表面的摩擦系數

3 滾珠絲桿傳動

滾珠絲桿傳動機構原理如圖6 所示，絲桿整體由下端支撐塊支撐受力，支撐塊左右兩側分別有圓柱導軌，滾輪通過固定螺絲螺母實現導軌與滑塊的聯軸器鏈接，雙旋絲杠從滑塊中間穿過，一端固定在端部擋板軸承，一端與步進電機鏈接，由步進電機提供動力馭動。當步進電機正向驅動時，帶動絲杠順時針旋轉，絲杠上的連接套則會受到向上運動的外力，將外力傳遞到滑塊上，滑塊再帶動固定于其上的撐書板沿著導軌相向或相背運動。

圖6 滾珠絲桿結構圖

4 視覺識別

在取還書時，需要知道圖書待取出或放回的位置。為了獲得這一位置，需要在機械手的前端放置Opencv 攝像頭，以30hz 的頻率拍攝圖片，通過圖像形態學處理對拍攝的圖片進行處理,如圖7-8，該方法可以將拍攝的圖片進行圖像腐蝕、灰度轉化、反色、圖像提取等處理，攝像頭在一定頻率下拍攝的圖片不能直接被計算器處理，轉化成坐標，而是要先進行圖像處理突出書本與書本之間的間隙，如圖9 所示，原照片有每本圖書的書名信息等等干擾信息，而計算機需要的是圖書的輪廓位置，所以要去掉這些干擾信息，通過圖像形態學處理將圖書灰度處理，排除顏色干擾；接下來進行反色、二值化等運算指令，進行開運算或閉運算，將書的縫隙區域轉化成白色，突出顯示，書背全部用黑色覆蓋，去除書背的文字干擾；接著單取豎向的目標進行顯示，并將其轉化為空間坐標，如圖10。

圖7 書照片原圖

圖8 圖書原照片

圖9 灰度轉化后的照片

圖10 算法處理后圖書照片的對比

結合RFID 技術，獲得目標圖書的位置，支架運動到該位置前方，絲桿上升到相應高度，然后由攝像頭通過拍攝書架照片片并將圖片處理后將圖書的精確位置發給程序控制中心，最后由控制中心驅動機械手調整位置，完成取還書工作。

5 單片機控制

核心控制單元是采用宏晶科技公司制造的STC15 系列的STC15w4K58S4 芯片，該芯片不需要外部晶振和外部復位電路，內部時鐘在5MHz～30MHz 可設，可工作的寬電壓為2.5～5.5V。其具有超強的抗干擾能力、運行速度快、低功耗、成本低等優點。且該單片還內置了穩壓模塊，使得在小衛士在電源供給的穩定性有了極大的保障。

單片機的應用不僅僅能夠獲取數據，同時還能夠對數據進行一定的處理以此來將數據進行應用。可提高CPU 的數據處理能力、控制能力。以單片機為主題，使用微電子技術，具備高運算速度，大部分的運算過程都會被大大縮短，從而縮短處理圖書位置的時間[5]。

6 電力控制及電源模塊

電力控制系統由電源模塊，MCU 模塊、紅外接收模塊和驅動模塊這四部分組成。機械手裝備有多塊聚合物鋰電池，整個系統以可充電鋰電池電作為供電系統。

7 驅動模塊

驅動模塊采用L293D 電機驅動拓展板。L293D 是一塊雙H 橋驅動芯片，可同時驅動2 路直流電機，并可實現電機的正轉與反轉，實現此功能只需改變輸入端的邏輯電平。該芯片在4.5V 至36V 的電壓下提供高達600m A 的雙向驅動電流，峰值輸出電流每通道可達到1.2A，其內部還自帶著ESD保護。且該模塊：性價比高，易于控制，且無需保護電路和二極管也無需散熱片。