周占明，吳昌林，王玉金，余 旭

（華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

城市街區(qū)自助圖書(shū)館機(jī)械手運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周占明，吳昌林，王玉金，余 旭

（華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

城市街區(qū)自助圖書(shū)館系統(tǒng)是在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上興起的文化建設(shè)項(xiàng)目，是一種新型的圖書(shū)館發(fā)展模式。自助圖書(shū)館機(jī)械手作為圖書(shū)傳輸?shù)膱?zhí)行部件，具有借書(shū)傳輸、還書(shū)傳輸、自動(dòng)分揀的功能，是自助服務(wù)效率和安全傳輸?shù)年P(guān)鍵。論文首先介紹了機(jī)械手圖書(shū)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方式和機(jī)械手圖書(shū)夾持裝置的結(jié)構(gòu)，然后對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。在此基礎(chǔ)上，基于單片機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡和PC機(jī)對(duì)機(jī)械手控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。市場(chǎng)反饋表明該機(jī)械手控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，很大程度上提高了圖書(shū)傳輸?shù)陌踩院妥灾?wù)的效率。

自助圖書(shū)館；機(jī)械手；運(yùn)動(dòng)規(guī)劃；力控制；單片機(jī)

0 引言

城市街區(qū)自助圖書(shū)館系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在圖書(shū)館領(lǐng)域的拓展，是集數(shù)字化、人性化和智能化為一體的新型圖書(shū)館發(fā)展模式，是現(xiàn)有公眾圖書(shū)館服務(wù)的延伸，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)圖書(shū)館與數(shù)字圖書(shū)館的完美結(jié)合和質(zhì)的飛躍[1]。自助圖書(shū)館系統(tǒng)由自助圖書(shū)館服務(wù)機(jī)、物流管理系統(tǒng)、中心服務(wù)系統(tǒng)、圖書(shū)館監(jiān)控系統(tǒng)、資源管理系統(tǒng)等部分構(gòu)成，其中自助圖書(shū)館服務(wù)機(jī)是自助圖書(shū)館系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)，也是其核心組成部分[2]。

射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）作為自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的一大分支，是自助圖書(shū)館系統(tǒng)的核心技術(shù)，它通過(guò)無(wú)線射頻方式獲得圖書(shū)的相關(guān)數(shù)據(jù)，并對(duì)圖書(shū)加以識(shí)別，且無(wú)需與圖書(shū)直接接觸即可完成信息的輸入與處理，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地采集和處理信息[3]。正是由于RFID的應(yīng)用使得自助圖書(shū)館系統(tǒng)成為一種典型的人機(jī)交互系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自助辦證、自助借書(shū)、自助還書(shū)、自助預(yù)約、自助查詢等服務(wù)功能的融合[4]。

取書(shū)機(jī)械手系統(tǒng)作為自助服務(wù)的執(zhí)行子系統(tǒng)，具有借書(shū)傳輸、還書(shū)傳輸、自動(dòng)分揀的功能，是服務(wù)效率和圖書(shū)安全傳輸?shù)年P(guān)鍵因素。機(jī)械手運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及其系統(tǒng)控制策略對(duì)提高服務(wù)效率和傳輸安全系數(shù)起著至關(guān)重要的作用。機(jī)械手定位速度、精度以及傳輸安全性是機(jī)械手控制的三大性能指標(biāo)[5]。因此，對(duì)取書(shū)機(jī)械手系統(tǒng)進(jìn)行研究具有重要的意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)原理

自助圖書(shū)館服務(wù)機(jī)在傳統(tǒng)圖書(shū)館書(shū)架的基礎(chǔ)上添加E字形隔書(shū)板，使圖書(shū)兩兩隔開(kāi)，方便U形結(jié)構(gòu)機(jī)械手末端夾持裝置能夠快速準(zhǔn)確地插入E形隔書(shū)板卡槽內(nèi)抓取指定圖書(shū)。機(jī)械手末端夾持裝置是機(jī)械手的末端執(zhí)行器，末端執(zhí)行器在三維空間的運(yùn)動(dòng)使得圖書(shū)傳送功能得以實(shí)現(xiàn)。

圖1 所示為機(jī)械手的三維空間運(yùn)動(dòng)示意圖，其中XZ表示自助圖書(shū)館上導(dǎo)軌平面；X軸表示書(shū)架的長(zhǎng)度方向；Y軸表示書(shū)架寬度方向；Z軸表示書(shū)架高度方向；W軸為機(jī)械手末端執(zhí)行器的夾持運(yùn)動(dòng)方向，該方向與X軸平行，夾持裝置在W軸向的運(yùn)動(dòng)提供圖書(shū)夾緊力。機(jī)械手具有4個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，X軸、Y軸和Z軸方向的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的空間定位；W軸方向的運(yùn)動(dòng)提供圖書(shū)夾緊力，是圖書(shū)安全輸送的關(guān)鍵。

圖1 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.1 The schematic diagram of manipulator movement

2 夾持裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖書(shū)在傳輸過(guò)程中應(yīng)當(dāng)避免滑落的情況發(fā)生，需要在W軸方向上提供適當(dāng)?shù)恼龎毫?，以使圖書(shū)與夾持件之間的摩擦力與圖書(shū)重力之間達(dá)到靜力平衡。因此，對(duì)執(zhí)行器結(jié)構(gòu)顯得尤為重要。圖2所示為本文所設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)原理，電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)使安裝在凸輪卡槽內(nèi)的套筒和夾板連接銷(xiāo)沿槽運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，限位槽約束夾板連接銷(xiāo)只能在槽的方向上作直線移動(dòng)，而套筒還具有垂直于凸輪平面的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以減小夾板連接銷(xiāo)與凸輪槽間的滑動(dòng)摩擦。這樣，凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)就能使固定在夾板連接銷(xiāo)上的夾板產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)抓取圖書(shū)的目的。

圖2 機(jī)械手夾持裝置運(yùn)動(dòng)原理Fig.2 The motion principle of manipulator holding device

圖3 所示為末端夾持器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖。電機(jī)輸出軸與傳動(dòng)軸通過(guò)螺釘連接，傳動(dòng)軸上固定帶內(nèi)槽的凸輪盤(pán)，槽內(nèi)安裝穿有夾板連接銷(xiāo)的套筒，限位槽限制夾板連接銷(xiāo)只能在沿上板蓋和下板蓋的限位槽方向作直線運(yùn)動(dòng)，所以與夾板連接銷(xiāo)相連接的夾板只能作直線移動(dòng)而不能旋轉(zhuǎn)，即機(jī)械手夾板的直線運(yùn)動(dòng)。

電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在凸輪內(nèi)槽和限位槽的作用下轉(zhuǎn)換為左右?jiàn)A板的直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手圖書(shū)夾持裝置的夾緊和松開(kāi)。夾書(shū)時(shí)，機(jī)械手右?jiàn)A板上的壓力傳感器輸出壓力值信號(hào)通過(guò)單片機(jī)串口通訊傳輸至PC機(jī)，PC機(jī)根據(jù)壓力設(shè)定值和反饋值控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到穩(wěn)定夾取圖書(shū)的效果。在機(jī)械手夾板上如圖3所示的三個(gè)位置安裝工業(yè)橡皮，增加摩擦系數(shù)，且當(dāng)圖書(shū)重心置于三點(diǎn)所構(gòu)成的三角形內(nèi)時(shí)，能夠防止夾書(shū)時(shí)圖書(shū)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，有利于增加圖書(shū)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

圖3 機(jī)械手末端夾持裝置結(jié)構(gòu)Fig.3 The holding device structure of manipulator terminal parts

3 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

機(jī)械手在X、Y、Z軸方向的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手末端夾持裝置的空間定位，W軸方向的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)圖書(shū)抓取功能。當(dāng)讀者借閱圖書(shū)時(shí)，自助圖書(shū)館數(shù)據(jù)庫(kù)為機(jī)械手控制系統(tǒng)提供圖書(shū)位置信息（x,y,z），而沒(méi)有W軸向移動(dòng)距離的信息?？刂葡到y(tǒng)首先根據(jù)給定的目標(biāo)位置信息（x,y, z）對(duì)機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃[6]，使末端夾持裝置運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置；然后控制W軸向移動(dòng)，當(dāng)夾緊力能夠安全抓取指定圖書(shū)時(shí)，W軸向停止運(yùn)動(dòng)；最后機(jī)械手逆向運(yùn)動(dòng)將圖書(shū)送到指定位置。

控制系統(tǒng)需要對(duì)（x,y,z）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，目的是使機(jī)械手準(zhǔn)確快速到達(dá)指定位置，并且機(jī)械手在移動(dòng)過(guò)程中不能與其他圖書(shū)或者書(shū)架接觸。因此，本文采用的機(jī)械手避障規(guī)劃策略為：機(jī)械手在X、Y方向同時(shí)啟動(dòng)，同時(shí)到達(dá)目標(biāo)位置；當(dāng)其在X、Y方向到達(dá)指定位置后Z軸開(kāi)始啟動(dòng)，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中，tx0—X軸向運(yùn)動(dòng)的初始時(shí)刻；tx1—X軸向運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)刻，其它軸向運(yùn)動(dòng)表示方法相同。

本文采用正弦曲線對(duì)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)加速度進(jìn)行規(guī)劃，該運(yùn)動(dòng)規(guī)劃可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手無(wú)沖擊定位，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的軌跡方程為：

其中，s—機(jī)械手在X、Y、Z三個(gè)軸方向位移變量的其中之一；s0—機(jī)械手初始位置與目標(biāo)之間在該軸方向上的距離；ts—機(jī)械手在相應(yīng)軸上達(dá)到指定位置所需時(shí)間。通過(guò)規(guī)劃公式（2），機(jī)械手可以無(wú)沖擊到達(dá)指定目標(biāo)位置，通過(guò)調(diào)整ts的大小就能夠改變機(jī)械手達(dá)到指定位置所需時(shí)間[7]。

4 夾持力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械手末端夾持裝置左右?jiàn)A板在W軸方向移動(dòng)夾持圖書(shū)，位移較小。W軸方向運(yùn)動(dòng)提供夾持力，應(yīng)當(dāng)防止夾持力過(guò)小造成書(shū)本脫落以及夾持力過(guò)大造成圖書(shū)損壞，因此夾持裝置在W軸上應(yīng)該采用力控制方式[8]。在抓取過(guò)程中，可將書(shū)本近似視為剛體，圖書(shū)不發(fā)生變形。當(dāng)夾持裝置接觸圖書(shū)時(shí)，安裝在夾板上的壓力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量所受壓力，壓力信號(hào)通過(guò)AD電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并通過(guò)串口通訊傳遞給上位機(jī)。

壓力傳感器在機(jī)械手夾板與圖書(shū)接觸時(shí)開(kāi)始傳遞壓力信號(hào)，上位機(jī)根據(jù)初始?jí)毫χ倒浪銏D書(shū)厚度d以及圖書(shū)質(zhì)量m，從而計(jì)算出圖書(shū)安全傳輸所需夾持力。如圖3所示，右?jiàn)A板上具有合頁(yè)軸，該合頁(yè)軸原點(diǎn)可看作是一杠杠的支點(diǎn)。

圖書(shū)厚度公式可以由以下公式近似得到：

式中，F(xiàn)e—壓力傳感器所受壓力值；Fm—圖書(shū)對(duì)夾板的壓力；l—兩壓力之間的近似線性比，d—圖書(shū)厚度；D0—左右?jiàn)A板間初始間距；sd—壓力傳感器有正壓力值輸出時(shí)左右?jiàn)A板相對(duì)位移。根據(jù)以上公式可以近似得到所需夾緊力：

其中，md—單位厚度圖書(shū)質(zhì)量；μ—夾板與圖書(shū)之間的摩擦系數(shù)。通過(guò)計(jì)算得到機(jī)械手所需夾緊力的近似值，并依此設(shè)定機(jī)械手夾持力參考值，將壓力傳感器信號(hào)反饋到輸入端，進(jìn)而進(jìn)行力閉環(huán)控制。

4.1 力控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

夾持力控制系統(tǒng)以基于PC機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡、單片機(jī)為核心，以交流伺服驅(qū)動(dòng)器、交流伺服電機(jī)、壓力傳感器等構(gòu)成一個(gè)開(kāi)放式硬件結(jié)構(gòu)。整個(gè)機(jī)械手夾持系統(tǒng)由末端執(zhí)行器本體、伺服電機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、壓力傳感器和放大器、單片機(jī)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制卡、工控機(jī)、穩(wěn)壓電源（DC+12V）等組成。當(dāng)夾取圖書(shū)時(shí)，壓力傳感器將受到的壓力轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大后被采集并轉(zhuǎn)換成實(shí)際壓力，根據(jù)設(shè)定壓力值和反饋壓力值的偏差，經(jīng)控制算法后，由運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)送脈沖給驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到夾緊力達(dá)到所要求的設(shè)定范圍內(nèi)。

單片機(jī)壓力采樣電路由CPU（AT89S52）、串行接口電路 （MAX232）、信號(hào)放大電路、光電隔離電路、A/D轉(zhuǎn)換電路（HX711）等組成。A/D轉(zhuǎn)換芯片為HX711芯片，具有24位的轉(zhuǎn)換精度，滿足使用精度要求。HX711芯片內(nèi)置增益控制，可對(duì)傳感器輸出的毫伏級(jí)電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)理轉(zhuǎn)換，性能穩(wěn)定，同時(shí)可通過(guò)2線串行方式與單片機(jī)通信。單片機(jī)使用AT89S52芯片，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為11.0592MHz，單片機(jī)讀取經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的壓力數(shù)據(jù)，通過(guò)串口通訊將數(shù)據(jù)傳遞到上位機(jī)即PC機(jī)，單片機(jī)電路原理圖如圖4所示。

圖4 單片機(jī)電路原理圖Fig.4 The circuit schematic diagram of single chip microcomputer

4.2 力控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件包括下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件為自助圖書(shū)館服務(wù)機(jī)系統(tǒng)控制軟件，采用模塊化設(shè)計(jì)，包括面向讀者的窗口顯示模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)模塊、網(wǎng)絡(luò)終端通信模塊等。

機(jī)械手末端夾持裝置的控制函數(shù)為運(yùn)動(dòng)控制模塊的子函數(shù)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和PC機(jī)的實(shí)時(shí)串口通訊以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。PC機(jī)接收通過(guò)單片機(jī)采樣得到的壓力值，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。上位機(jī)程序控制流程如圖5（a）所示。

下位機(jī)軟件同樣采用模塊化設(shè)計(jì)，包括主程序模塊、串口通訊程序模塊、A/D采樣程序模塊及滑動(dòng)平均濾波處理模塊等。下位機(jī)軟件采樣得到壓力傳感器的壓力信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換及濾波處理后將數(shù)據(jù)傳遞至PC機(jī)，構(gòu)成上位機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的閉環(huán)控制，單片機(jī)采樣程序流程圖如圖5（b）所示。

采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性制約著夾取圖書(shū)的可靠性，是安全夾取圖書(shū)的關(guān)鍵。為避免干擾對(duì)采樣數(shù)據(jù)造成的影響，在單片機(jī)程序中采用滑動(dòng)平均濾波算法對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，保證最終數(shù)據(jù)的合理可靠[9]。

式中：fk—滑動(dòng)平均濾波后數(shù)據(jù)；yk—原始數(shù)據(jù)；ωi—加權(quán)系數(shù)，為小于m的任一正整數(shù)，且p+q+m=1。

圖5 上位機(jī)程序控制與單片機(jī)采樣流程圖Fig.5 The flow chart of host computer procedure and MCU sampling

5 結(jié)論

本文在自助圖書(shū)館機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，在機(jī)械手避障的前提下對(duì)機(jī)械手的定位采用正弦加速度進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的無(wú)沖擊定位，提高定位精度；通過(guò)調(diào)整正弦加速度的參數(shù)，可以提高機(jī)械手的運(yùn)行效率。機(jī)械手末端執(zhí)行器采用力閉環(huán)控制，壓力傳感器反饋信號(hào)使用單片機(jī)采樣，采用滑動(dòng)平均濾波算法保證了數(shù)據(jù)的可靠性，能有效避免因正壓力過(guò)小造成的圖書(shū)滑落或因正壓力過(guò)大造成的圖書(shū)損壞。本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)在產(chǎn)品中得到了良好運(yùn)用，產(chǎn)品運(yùn)行穩(wěn)定，自助服務(wù)效率得到了提高，本文的研究具有較大的實(shí)用價(jià)值和理論意義。

[1]Huang Y H,Li G Y.Descriptive models for internet of things[A]. International Conference on Intelligent Control and Information Processing[C].Harbin,China:IEEE Press,2010.

[2]陳淑珍.基于Web2.0的高校圖書(shū)館在線信息素質(zhì)教育研究[J].圖書(shū)與情報(bào)，2011，3.

[3]Welbourne E,et al.Building the internet of things using RFID:The RFID ecosystem experience[J].IEEE Internet Computing,2009，13.

[4]彭奇志，嚴(yán)而清，吳信嵐.我國(guó)高校在線信息素質(zhì)教育的分析研究[J].圖書(shū)與情報(bào)，2009，1.

[5]熊有倫，尹周平，熊蔡華，等.機(jī)器人操作[M].湖北:湖北科學(xué)出版社,2002.

[6]Murray R M,Li Zexiang,Sastry SS；徐衛(wèi)良，錢(qián)瑞明（譯）.機(jī)器人操作的數(shù)學(xué)導(dǎo)論[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[7]Fouad F,Khalil,Pierre Payeur.Robotic interaction with deformable objects under vision and tactile guidance-a review[J].ROSE2007-IEEE International Workshop on Robotic and Sensors Environments,2007.

[8]H.Lin,S.J.Bull,P.M.Taylor.Simulation of the deformation and stress distribution within a flexible materials pressed by a pinch gripper[J]. Journal of Materials Processing Technology,2005,169,357-363.

[9]林洪樺.動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)處理[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1995.

Manipulator Motion Plan and Force Control System Design of a City Blocks Self-Service Library

ZHOU Zhan-Ming，WU Chang-Lin，WANG Yu-Jin，YU Xu
（School of Mechanical Science and Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan Hubei 430074,China）

City blocks self-service library system is a cultural construction project and a new type of library develop-ment model based on the rising of things Internet.The self-service library manipulator,with the ability of book transmission and automatic sorting,is the execution part of book transmission,and it's also the key to self-service efficiency and the safety of book transmission.Firstly,the implementation of book transmission by manipulator is introduced in this paper,and then the structure of book clamping device is designed in detail,and then the motion planning of manipulator is constituted.Based on the above,a manipulator control system based on single chip microcomputer, motion control card and computer is carried out.This manipulator control system is stable,and also enhances book transmission safety and self-service efficiency according to the market feedback.

self-service library；manipulator；motion planning；force controlling；single-chip microcomputer

TP39

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.01.032

1002－6673（2014）01－086－04

2013－11－27

周占明 （1989-），男，河南駐馬店人，華中科技大學(xué)碩士研究生，主要研究方向：機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)；吳昌林（1951-），男，湖北武漢人，華中科技大學(xué)教授，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向：機(jī)電一體化設(shè)備及曲面數(shù)控拋光技術(shù)。