張 振 ，張 琪 ，王 新 ，郝建濤

（1.山東理工大學(xué) 山東 淄博 255000；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 深圳研究生院，廣東 深圳 518055）

基于主從式結(jié)構(gòu)的智能圖書(shū)整理機(jī)器人的設(shè)計(jì)

張 振1，張 琪1，王 新1，郝建濤2

（1.山東理工大學(xué) 山東 淄博 255000；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 深圳研究生院，廣東 深圳 518055）

本文介紹了基于主從式結(jié)構(gòu)的智能圖書(shū)整理機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)由移動(dòng)車(chē)體、機(jī)械臂和圖書(shū)識(shí)別處理模塊三部分組成。智能圖書(shū)整理機(jī)器人控制系統(tǒng)采用主從式單片機(jī)的控制，由信息采集處理模塊、機(jī)械臂控制模塊和主控模塊組成。它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖書(shū)的識(shí)別、取放、整理等工作。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、執(zhí)行效率高、減少了管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。當(dāng)今世界是信息化時(shí)代，圖書(shū)整理的智能化必然會(huì)發(fā)展成為一大產(chǎn)業(yè)，并帶動(dòng)其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此該系統(tǒng)擁有廣闊的發(fā)展空間。

智能圖書(shū)整理機(jī)器人；圖像處理；移動(dòng)機(jī)械臂；主從結(jié)構(gòu)

當(dāng)代社會(huì)是一個(gè)智能化、人性化的社會(huì)，處處體現(xiàn)了科技所帶來(lái)的便利和無(wú)窮的魅力。根據(jù)我們的研究和調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國(guó)中等以上規(guī)模的圖書(shū)館占有相當(dāng)大的比例，圖書(shū)產(chǎn)業(yè)是一個(gè)有規(guī)模、有實(shí)力、有影響力的信息產(chǎn)業(yè)。國(guó)家圖書(shū)館、省( 市) 級(jí)圖書(shū)館、高校圖書(shū)館、各部門(mén)專(zhuān)業(yè)圖書(shū)館構(gòu)成了圖書(shū)館事業(yè)的主體, 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)藏有書(shū)約10 億余冊(cè)( 件) , 每年接待讀者約數(shù)千萬(wàn)( 人) 次。但是,我們的圖書(shū)處理手段還停留在傳統(tǒng)的人工整理階段,圖書(shū)館還是采用人抱、車(chē)推和手工等方式進(jìn)行上架、下架、整理、清點(diǎn)、記錄等工作。人工整理圖書(shū)要求工作人員首先要記住每一類(lèi)圖書(shū)的存放區(qū)域，其次要找到要存放圖書(shū)的準(zhǔn)確位置，才能完成圖書(shū)的存放，工作量很大，而且效率很低。所以, 實(shí)現(xiàn)圖書(shū)借閱、上架、下架、清點(diǎn)、整理、傳送的機(jī)械化、自動(dòng)化是圖書(shū)館自動(dòng)化的重要組成部分。而在圖書(shū)借閱、上架、下架、清點(diǎn)、整理、傳送上采用機(jī)器人的處理方式是今后發(fā)展的一大趨勢(shì)。

本項(xiàng)目研發(fā)的智能型圖書(shū)整理機(jī)器人正是在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生的，本智能型圖書(shū)整理機(jī)器人是可以進(jìn)行自動(dòng)化識(shí)別并實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)作業(yè)的小型機(jī)器人。它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成機(jī)器人的各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了機(jī)器人的智能型和人性化。它能靈活地實(shí)現(xiàn)圖書(shū)的取放和整理工作，具有效率高，體積小巧、實(shí)用等特點(diǎn)，在圖書(shū)館的日常管理中有很大的應(yīng)用空間。

1 系統(tǒng)整體方案

如圖1所示，智能圖書(shū)整理機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)采用主從式，主要有移動(dòng)車(chē)體、機(jī)械臂和圖書(shū)識(shí)別處理模塊組成[1-2]。主控機(jī)采用技術(shù)成熟的AT89C51單片機(jī)進(jìn)行控制，主要完成對(duì)從機(jī)的控制及機(jī)械臂的控制來(lái)完成取放任務(wù)。從機(jī)采用雙從機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中采用infineonXC164CS單片機(jī)進(jìn)行傳感器信息的處理及驅(qū)動(dòng)機(jī)器人按指定路徑掃描圖書(shū)，而圖書(shū)識(shí)別模塊的信息處理由MC9S12XS128單片機(jī)完成。采用這種結(jié)構(gòu)，大大降低了對(duì)主機(jī)性能的要求，而且實(shí)現(xiàn)了對(duì)信息準(zhǔn)確的獲取與快速處理，使整體系統(tǒng)運(yùn)作更高效。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Overall system structure diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用AT89C51作為主控芯片，其主要特性為：4 kB內(nèi)部Flash ROM，128B內(nèi)部RAM，32根I/O線(xiàn)，2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，1個(gè)可編程全雙工串行通訊口，最高工作頻率24 MHz[3]。如圖2所示為主控系統(tǒng)的電路原理圖，為實(shí)現(xiàn)主控芯片對(duì)于五自由度移動(dòng)機(jī)械臂的控制，外接兩片8253可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器即可方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)五自由度機(jī)械臂的控制。本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是處理速度快、性?xún)r(jià)比高、資源豐富可擴(kuò)展，并且工作穩(wěn)定可靠[4]。

圖2 主控電路設(shè)計(jì)Fig. 2 Main control circuit design

2.2 圖書(shū)識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

圖書(shū)識(shí)別模塊分為圖像采集模塊和圖像處理模塊，圖像采集是基于Omnivision公司的CMOS圖像傳感器---OV7620的方案設(shè)計(jì)，它支持連續(xù)和隔行兩種掃描方式，VGA與QVGA兩種圖像格式；最高像素為664×492，幀速率為30 fps；數(shù)據(jù)格式包括YUV、YCrCb、RGB 3種，能夠滿(mǎn)足一般圖像采集系統(tǒng)的要求[5]。其電路圖如圖3所示。

圖3 圖像采集電路Fig. 3 Image acquisition circuit

基于現(xiàn)在圖書(shū)的種類(lèi)繁雜，且無(wú)統(tǒng)一的電子識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)，本文所研發(fā)的智能型圖書(shū)整理機(jī)器人對(duì)于的圖書(shū)識(shí)別暫定采用指定模型圖書(shū)，即長(zhǎng)15 cm，高20 cm，寬5 cm的規(guī)則長(zhǎng)方體。不同的圖書(shū)用不同顏色的長(zhǎng)方體代替，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)試，本機(jī)器人可以識(shí)別的圖書(shū)顏色種類(lèi)可達(dá)數(shù)10種。

圖像處理芯片采用MC9S12XS128，其可實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像頭采集的信息進(jìn)行分析處理確定目標(biāo)圖書(shū)，并將處理后的信號(hào)通過(guò)串口通信送于主控系統(tǒng)，用于發(fā)現(xiàn)目標(biāo)圖書(shū)或亂架圖書(shū)，主控系統(tǒng)根據(jù)所送信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)圖書(shū)的定位和取放。

2.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳感器定位系統(tǒng)電路主要為XC164CS單片機(jī)模塊，XC164CS電路板控制電機(jī)和傳感器的原理圖如圖4所示。電源轉(zhuǎn)換模塊采用LM2575和電阻、電容濾波將24 V的電壓轉(zhuǎn)成5 V電壓，給單片機(jī)模塊和驅(qū)動(dòng)器公共端供電，通信模塊采用ADM2587芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出，電源轉(zhuǎn)換模塊和通信模塊如圖5、6所示。直流電機(jī)用一個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，芯片是LMD18200。該芯片的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)速可調(diào)，抗干擾能力強(qiáng)；具有續(xù)流保護(hù)，PWM脈寬平滑調(diào)速，可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器需要3個(gè)信號(hào)，從而控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速方向剎車(chē)。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速由PWM控制，通過(guò)這種可調(diào)脈寬來(lái)控制直流

圖4 XC164CS控制電機(jī)和傳感器原理圖Fig. 4 XC164CS motor control and sensor principle diagram

電機(jī)的速度，PWM信號(hào)由infineonXC164CS芯片生成。

圖5 電源轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)Fig. 5 Design of power conversion module

圖6 通信模塊設(shè)計(jì)Fig. 6 Design of communication module

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體思路如圖7，傳感器實(shí)時(shí)采集外部環(huán)境信息，通過(guò)對(duì)不同傳感器采集信息的融合完成對(duì)機(jī)器人的定位，根據(jù)程序要求確定任務(wù)并進(jìn)行路徑規(guī)劃，機(jī)器人在指定路徑進(jìn)行掃描，確定目標(biāo)圖書(shū)后，主控單片機(jī)控制移動(dòng)機(jī)械臂完成對(duì)圖書(shū)的拿取，根據(jù)要求放入規(guī)定位置完成圖書(shū)借閱或整理。

本設(shè)計(jì)采用移動(dòng)機(jī)械臂系統(tǒng)，是將機(jī)械臂固定在移動(dòng)車(chē)體上構(gòu)成的一類(lèi)移動(dòng)機(jī)器人。這種結(jié)構(gòu)使機(jī)械臂擁有幾乎無(wú)限大的工作空間和高度的運(yùn)動(dòng)冗余性，并同時(shí)具有移動(dòng)和操作功能，這使它優(yōu)于移動(dòng)機(jī)器人和傳統(tǒng)的機(jī)械臂[6]。

圖7 整體設(shè)計(jì)思路Fig. 7 Overall design idea

AT89C51主控芯片控制具體流程圖如圖8所示，圖像處理流程圖如圖9所示。開(kāi)始，首先進(jìn)行機(jī)器人的初始化，控制從機(jī)啟動(dòng)并初始化，隨后機(jī)器人按程序設(shè)定進(jìn)行圖書(shū)掃描，如果搜索到目標(biāo)圖書(shū)，由從機(jī)向主機(jī)申請(qǐng)中斷請(qǐng)求，進(jìn)入中斷程序由主機(jī)控制舵機(jī)完成對(duì)圖書(shū)的拿取工作，判斷是否是亂架圖書(shū)或待借圖書(shū)，如果是亂架圖書(shū)，將圖書(shū)放到正確位置；如果是待借圖書(shū)，放至取書(shū)處，完成一次借書(shū)任務(wù)。

實(shí)物樣機(jī)的研發(fā)，首先用solidworks軟件構(gòu)建機(jī)器人模型，并進(jìn)行各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，確定好參數(shù)后進(jìn)行樣機(jī)的試制，最后是機(jī)器人的調(diào)試，完成預(yù)定任務(wù)。三維模型和樣機(jī)照片如圖10所示。

圖8 主控芯片控制流程圖Fig. 8 Main control chip control flow chart

圖9 圖像處理模塊流程圖Fig. 9 Image processing module flow chart

4 結(jié) 論

文中給出了基于主從式單片機(jī)控制的智能圖書(shū)整理機(jī)器人的硬件和軟件設(shè)計(jì)方法，該方法成本低，易于實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，機(jī)器人能夠準(zhǔn)確識(shí)別圖書(shū)，完成對(duì)圖書(shū)的取放和整理。該系統(tǒng)還可以加入數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和基于足球機(jī)器人平臺(tái)的攝像定位技術(shù)，在信息化時(shí)代的今天有較大的發(fā)展

圖10 整體結(jié)構(gòu)圖Fig. 10 The overall structure diagram

前景。

[1] 李雷.基于MCS-51控制的軍用自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真技術(shù),2011,7(2):100-103.

LI Lei. The military automatic warehouse handling robot design based on MCS-51[J]. System simulation technology,2011,7(2):100-103.

[2] 靳大為,輪式物料搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究[D].北京:北京交通大學(xué),2006.

[3] 張毅剛.MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1997.

[4] 郭天祥.新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,1999.

[5] 李剛，陳世利，周鑫玲. 飛思卡爾8位單片機(jī)實(shí)用教程. [M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[6] 閆超勤.智能移動(dòng)機(jī)械臂的控制研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2003.

Design of book sorting robots based on master-slave structure

ZHANG Zhen1, ZHANG Qi1, WANG Xin1, HAO Jian-tao2
（1.Shandong University of Technology, Zibo 255000, China; 2.Shenzhen Graduate School of Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518055, China）

This paper introduces the design and implementation of the intelligent book sorting robot based on masterslave structure. The system consists of three parts: the mobile body, the mechanical arm and the book recognition processing module. The intelligent book sorting robot system adopts the master-slave SCM system. It is concluded that the information acquisition and processing module, the manipulated control module and main control module. It can achieve the work about the recognition, placing and sorting of the book. And so on. The design of the system is simple,high efficiency, and it can reduce labor intensity of managers. The world today is the era of information, intelligent book arrangements will become a big industry, and promote the development of other industries, so the system has broad developing space.

book sorting robot; image processing; mobile manipulator; master-slave structure

TN710

A

1674-6236(2014)03-0120-04

2013–06–14 稿件編號(hào)：201306092

張 振(1991—)，男，山東齊河人。研究方向：測(cè)控技術(shù)及儀器，智能機(jī)器人。