基于激光SLAM還書機器人的設計

馮 崇， 魯 欣， 齊 波， 董洪超， 李龍言

(洛陽理工學院 智能制造學院， 河南 洛陽 471023)

2017年，我國頒布了第一部圖書館專門法《中華人民共和國公共圖書館法》，旨在“提高公民科學文化素質和社會文明程度，傳承人類文明，堅定文化自信”，為促進全民閱讀，提高公民社會科學文化素養提供了有力保障。2021年國務院發布了《全民科學素質行動規劃綱要(2021—2035年)》，主要目的是提高全民科學素質服務高質量發展[1]，進一步加強化圖書館的教育職能[2]，體現圖書館在提高全民科學文化素養中的重要地位。由此可見，圖書館閱讀在未來將會成為大趨勢，圖書館建設必將朝著智能化的方向發展。張鏡輝[3]根據圖書館還書、分揀、搬運等流程，構建了圖書館AGV智能分揀系統。錢海鋼[4]利用NFC技術，研究了自助借書、還書的移動服務系統。江波[5]將RFID技術與移動圖書館系統深度融合，構建了具有創新性的圖書館管理系統。目前，我國已建造許多智能化圖書館，但因各種條件限制，不能完全普及，傳統圖書館仍占較大比例。傳統圖書館運營中存在的最主要問題是書籍的歸類擺放。人工擺放需要圖書管理員將書籍逐本分類，再尋找對應的書架，按書籍對應的序號擺放到指定位置，這個過程錯誤率高、效率較低，耗費大量勞動力。本文設計了一種基于激光雷達同步定位與地圖構建(SLAM)的還書機器人，可以實現自動化還書，并且可以實現機器人行進過程中最優路徑的規劃。

1 還書機器人結構設計

1.1 整體結構設計

在設計還書機器人時，需要考慮靈活性、還書需求、適應圖書館環境、書本重量等一系列因素。機器人主要由移動底盤、書籍運送裝置、末端還書裝置、剪型升降臺及相關傳感器等部分組成，如圖1所示。

圖1 機器人總體結構示意圖

機器人通過麥克納姆輪移動底盤進行運動，麥克納姆輪可以實現機器人在任意方向上的移動，以及機器人的自身旋轉[6]。機器人利用激光SLAM定位，達到運輸書籍并放置的目的。使用激光雷達SLAM導航具有一定的優越性，如解析度高、測距精度高、抗有源干擾能力強等[7]。主要完成工作：

(1)對機器人速度、位置進行控制，實現機器人在圖書館內全方位運動。

(2)利用控制系統進行圖書館地圖環境構建，在機器人行進過程中，檢測并自動避開地圖環境標記的障礙物，智能規劃到達指定位置的最佳路徑。

(3)保證書籍平穩地運動到指定高度的書架前，控制機器人末端執行器夾取書籍，將書籍平穩放置到指定位置。

1.2 工作原理

(1)開始工作之前，在人工幫助下對圖書館內的工作環境進行地圖構建，還書機器人可依據環境地圖進行路徑規劃，計算出最優路徑。

(2)工作過程中，書箱內的掃描器對需還書籍進行識別，獲取書籍所在書架位置信息，還書機器人依據環境地圖和傳感器數據實現自主導航避障，到達書籍所在書架位置，利用推書臺將書籍推到升降臺上，升降臺載著末端夾取裝置上升到指定高度，末端夾取裝置將書籍放置在指定的書架上。

(3)完成存放書籍后，機器人收回書架，升降臺恢復初始狀態。還書機器人書箱內的掃描器繼續掃描下一本書籍，開始下一個循環過程。

1.3 車架本體結構設計

還書機器人車架本體主要包括底盤、激光雷達、視覺裝置、可拆卸書箱及自動充電裝置5個部分構成，如圖2所示。

圖2 車架本體結構示意圖

由于圖書館工作環境的特殊性，常規運動方式會限制機器人的轉向及工作范圍。為了提高機器人工作效率，達到精準控制機器人移動的目的，采用開環可控步進電機驅動麥克納姆輪。在機器人的移動過程中，用控制機器人行進速度的方式來達到對機器人精準控制的目的。麥克納姆輪與步進電機連接構成移動裝置，能夠在圖書館狹小的運行區域全方位運動。

為實現對機器人運動速度的實時控制，利用慣導IMU六軸陀螺儀對運動速度、加速度、角速度等信息進行記錄反饋。為了使機器人系統具有一定的魯棒性，更加適應圖書館的工作環境，采用激光雷達與視覺裝置配合來實現圖書館環境的地圖構建及精確定位?？刹鹦稌浔阌谶M行書籍按批更換與書箱部件的維修，以滿足運送多本書籍的設計要求。自動充電裝置可實時監測機器人所剩電量，電量不足時及時自主充電。

1.4 運書機構結構設計

運書機構主要由支撐框架、推書臺等構成，如圖3所示。運書機構的主要作用為存放書籍。機器人車架與運書機構的底板之間裝有直線導軌，直線導軌與底板上的空隙對應。與直線導軌平行安裝有絲桿螺母副，螺母與推書臺結合器相連接。還書機構工作時，電機控制絲桿旋轉運動，螺母帶動推書臺進行移動，將書籍移動到指定位置，配合升降臺和推書結構完成書籍的放置。

圖3 運書機構結構示意圖

1.5 升降機構結構設計

升降臺主要由導軌、電機及升降桿構成(如圖4所示)，屬于剪刀式升降臺，在豎直方向進行運動。剪型結構使機器人結構更加緊湊，占據空間小，承重大，伸縮性好。升降臺安裝在機器人車架上，升降臺上方設有推書結構。機器人處于不工作狀態時，升降臺處于初始位置(收緊狀態)，當有書籍需要放置時，電機控制升降臺到達指定位置，配合推書裝置完成目標任務。

圖4 升降機構結構示意圖

1.6 推書機構結構設計

推書機構主要由推書導軌、電機、支撐板以及推板構成，如圖5所示。為了滿足機器人末端執行器平穩地將書籍放置到指定位置的要求，采用螺紋絲杠結構，使機械手爪方便在Y軸對書籍進行抓取。推書機構位于升降臺頂部，通過滑座與絲桿相連接。

圖5 推書結構示意圖

2 關鍵零部件有限元仿真

運用有限元思想，對剪型升降機構滑塊進行應力分析，如圖6和圖7所示。由圖6可知，零件的應力分布不均勻，應力較大的位置出現在滑塊與升降桿連接部位的下側，最大靜應力為2.774 Pa。由圖7可知，滑塊表面的最大應力為2.774 Pa，最小應力為1.414×10-4Pa。在機器人實物制作過程中，選擇1345鋁合金，屈服強度為27 574.2 MPa，大于滑塊上最大靜應力，符合設計要求。

圖6 應力分析

圖7 靜應力分析

3 控制方案設計

(1)利用步進電機控制麥克納姆輪進行移動，機器人能夠達到指定位置。

(2)利用舵機控制機器人末端執行器的運動，更加準確地抓取書籍。

(3)利用步進電機控制剪式升降臺運動，完成書籍入庫動作。

(4)利用ROS進行軌跡規劃，進行上位機控制。使用STM32進行下位機控制。上位機在Ubuntu18.04系統下搭載ROS Melodic機器人操作系統，下位機使用STM32F103處理芯片來獲取和處理底層邏輯信息并及時反饋，實現多項任務高效穩定運行。

控制系統硬件構成如圖8所示。

圖8 還書機器人控制系統硬件

為建立機器人在移動過程中底盤坐標系、激光雷達坐標系等三維坐標系間的聯系，利用TF-Tree來實現機器人在地圖中的定位以及建立各節點之間的關聯。TF可以將這些不同的坐標系以樹狀結構的形式儲存起來，時刻記錄這些坐標系之間的關系。機器人運動過程中利用TF來實現不同坐標系的轉換[8]。各個節點之間通過話題實現信息交互，如圖9所示。

圖9 節點通信圖

3.1 麥克納姆輪控制方案

麥克納姆輪對各個車輪之間的速度控制精度有較高的要求，采用高精度步進電機進行控制。上位機通過IMU獲取機器人的加速度、角速度和三軸磁場偏角，并通過內部芯片處理得到姿態信息，下位機STM32通過通訊獲取上位機發送的運動速度信息，信息解析后控制底盤上的4個麥克納姆輪進行移動。麥克納姆輪裝置采用O-長方形式安裝方式，如圖10所示。

圖10 安裝方式

為了得到4個麥克納姆輪的電機控制速度，將底盤運動速度分解為X軸速度(Vx)、Y軸速度(Vy)和繞中心點旋轉角速度(ω)，如圖11和圖12所示。對其進行正運動學分析，可以得出4個車輪對應電機速度：

圖11 底盤速度分解

圖12 車輪速度

(1)

STM32驅動步進電機進行運動，使機器人到達定點位置。

3.2 激光雷達SLAM控制方案

SLAM是指機器人在陌生環境中通過獲取自身傳感器數據，實現在陌生環境中的自主定位與環境地圖構建[9]。機器人在還書工作中利用SLAM構建的室內環境地圖進行路徑規劃，同時利用自身攜帶的激光雷達、里程計和IMU來獲取周邊信息進行自主定位，實現自主避障功能。激光雷達SLAM采用Gmapping算法，有效利用車輪里程計信息，實現地圖的實時構建[10]。在控制程序設計時，利用ROS中的move_base、gmapping、amcl功能包完成機器人的路徑規劃[11]。

4 機器人地圖構建與路徑規劃仿真

為了直觀驗證機器人運動的正確性與合理性，對還書機器人進行了建模仿真。利用SolidWorks軟件對機器人進行建模，將URDF模型導入到Gazebo[12]仿真軟件中。還書機器人的三維模型及仿真如圖13～圖15所示。還書機器人具有自主避障導航功能，能達到預期還書目的。

圖13 機器人三維模型

圖14 地圖構建仿真

圖15 路徑規劃仿真

5 結 語

設計了一種基于激光SLAM的還書機器人。采用三維設計軟件、有限元仿真軟件、Gazebo仿真軟件對機器人進行了建模仿真。使用有限元方法對機器人的重要零部件進行了靜力學分析，結構設計合理。使用軌跡仿真軟件對機器人的運動軌跡進行了分析，可以實現路徑規劃、導航避障。與傳統還書方式相比，還書機器人精準度高、效率高，為實現自動化圖書館還書提供了一定的技術方案。