裴東杰,秦營周,張 崢

(鄭州大學 機械工程學院，河南 鄭州 450001)

書籍自動翻頁掃描裝置的設計與應用

裴東杰,秦營周,張 崢

(鄭州大學 機械工程學院，河南 鄭州 450001)

為實現(xiàn)已裝訂成冊的紙質書籍自動翻頁，達到便于閱讀和自動掃描的目的，設計出了一套能夠實現(xiàn)連續(xù)翻動書頁、掃描輸出電子文檔的裝置.該裝置通過分解、模擬人手翻書的動作，利用機械結構和控制系統(tǒng)達到設計目的.通過樣機研制表明，該裝置能較好地實現(xiàn)書籍自動翻頁掃描的功能，并且其性能穩(wěn)定，操作簡單，大大減輕了文印場所書籍翻頁掃描作業(yè)的勞動強度，有著重要的實用價值.

書籍;自動翻頁;掃描;設計

0 引言

目前，已裝訂成冊的書籍掃描、復印的工作在不拆訂的情況下，近乎全部需要通過手動翻頁來完成[1]，僅有美國、瑞士等少數(shù)國家開發(fā)出相關產(chǎn)品[2]，且造價昂貴、體積較大，國內(nèi)仍處在研發(fā)階段[3]，暫無產(chǎn)品問世.文印店、圖書館、檔案室等眾多場所存在大量的書籍掃描、復印工作，完全靠手動翻頁來完成，勞動強度很大，且枯燥無味[4]，因此，筆者設計了一款用于減輕文印工作者勞動強度的書籍自動翻頁掃描裝置.該裝置由書本夾持機構、翻書運動機構、電子控制系統(tǒng)、掃描存儲系統(tǒng)、檢測反饋系統(tǒng)等組成，以達到翻書快速穩(wěn)定、掃描質量高、錯誤率低、操作方便的效果，有著重要的實用價值.

1 裝置方案介紹

該書籍自動翻頁掃描裝置的設計目標是通過機器模擬人手連續(xù)翻動書頁的動作，實現(xiàn)無人值守的書籍自動翻頁掃描作業(yè).首先，將連續(xù)翻動書頁的運動進行分解為：“壓—搓—翻—拍”4個循環(huán)往復的基本動作；其次，通過機構設計依次完成以上4個基本動作；然后，建立整個運動的控制系統(tǒng)；最后，通過軟件設計完成數(shù)據(jù)存儲、輸出工作.

2 運動方案的設計

通過機械結構實現(xiàn)書籍翻頁的各基本動作的方案設計是本研究的關鍵，每一個基本動作均可有多種方案來實現(xiàn)[5]，這里根據(jù)結構簡單、控制方便、運行可靠的原則進行選擇、設計.

2.1 書本夾持機構的設計

本裝置采用一個“V型支架”和兩個動作可控的“夾子”來完成.將書本攤開放置于支架上，考慮到書籍的厚度不同，尤其是較厚書籍攤開后上下頁面的錯位現(xiàn)狀嚴重[6]，同時為方便書頁的翻動，通過實驗確定“V型支架”的夾角為120°，即書籍左右頁面的夾角為120°.兩個由步進電機控制、帶動的“夾子”對稱置于書籍的兩側，起到夾持書頁的作用，并能夠根據(jù)指令控制開合；同時，在“夾子”閉合夾緊的過程中，能夠給書頁一個向外張拉的摩擦力，使書頁攤平.

2.2 翻書運動結構的設計

首先，采用摩擦系數(shù)適中的橡膠棒，利用滾動摩擦將書頁“搓”起，利用同步帶將動力電機傳遞給摩擦輪，同時摩擦輪上要有一定配重，以保證其摩擦力大小能夠將書頁“搓”起，配重的大小由實驗確定.然后，利用“跳針”插入已“搓”起的書頁下，“跳針”沿“V型軌道”移動將書頁翻至另一側，然后跳針縮回.“跳針”和“V型軌道”的模型如圖1、2所示，“跳針”是一根細而長的金屬軸，一端設軸肩，另一端帶螺紋用于裝螺母，軸上套一個直徑稍大于軸但小于螺母的彈簧，末端用螺母鎖住，通過“跳針”軸肩所處導軌層次的改變，借助彈簧的回復彈力，形成跳針末端的伸出與縮進運動；“V形導軌”有兩個分層，即軌道1和軌道2，如圖3所示，兩個軌道之間以類似于吊橋的形式相切合，其另一端和軌道1鉸接.如此即可保證跳針向左滑動時只能在軌道1上且末端縮進，向右滑動時只能在軌道2上，且末端伸出.最后，配合“夾子”的開合，完成整個翻書動作.

圖1 跳針Fig.1 Skipping stitch

圖2 V型軌道Fig.2 The “V” track

圖3 V型導軌模型Fig.3 Model of the ”V” tract

3 電子控制系統(tǒng)的設計

電子控制系統(tǒng)的硬件主要由以下元件構成：1臺PC機，1塊STC12C56控制芯片，3塊步進電機驅動器，5個步進電機，3個舵機，5個光電編碼器，1個紅外傳感器，2個高清攝像頭.控制的核心部分為對步進電機的閉環(huán)控制，還有紅外傳感器的檢測，舵機的控制，與PC機的雙機通信等模塊.

紅外傳感器的檢測是翻頁程度檢測的方式之一(另一種為頁碼的機器視覺檢測)[7]，若橡膠棒轉動將書頁成功搓起，紅外傳感器的探頭即被遮擋，“搓書”動作停止，否則，橡膠棒將會持續(xù)轉動，直到書頁被翻起.

在“跳針”運動時，伴隨有一定幅度的圓弧運動，選用舵機作為動力器件，該控制系統(tǒng)選用的STC12C56單片機可以輸出4路硬件PWM，可以完成4個舵機的控制，從而保證翻書機構圓弧運動的順利進行.

4 掃描存儲系統(tǒng)的設計

掃描系統(tǒng)主要包括可調節(jié)的攝像頭支架和高清攝像頭，攝像頭支架是用來帶動并調節(jié)攝像頭的方位，以便于在合適的位置掃描書頁.攝像頭是由電腦驅動，在系統(tǒng)運行時，每當翻頁動作完成后，單片機便會向上位機發(fā)送翻頁完成信號和請求圖像采集的控制信號；而上位機在圖像采集完畢后，刷新界面顯示，并保存當前攝像頭捕捉到的畫面，同時會向下位機發(fā)送拍攝圖像完畢，允許系統(tǒng)繼續(xù)執(zhí)行翻頁的信號，使得下一次翻頁繼續(xù)進行，以此為一個周期，循環(huán)往復.當頁面掃描工作全部完成后，點擊“導出PDF文件”按鈕，程序將會將拍攝到的所有圖像保存為一個PDF文檔.

此控制系統(tǒng)與PC機之間選用RS232通信，通信距離較短，數(shù)據(jù)簡單，穩(wěn)定可靠[8].程序基于Qt框架開發(fā)，具有良好的移植能力，通過簡單的修改即可實現(xiàn)在多個平臺上運行；攝像頭控制部分采用OpenCV開源計算機視覺處理庫進行控制，為未來可能增加的頁碼OCR識別做好準備.

5 檢測反饋系統(tǒng)的設計

針對翻頁掃描過程中可能會出現(xiàn)漏頁的情況，設計了一個用于漏頁補全的檢測反饋系統(tǒng)，程序流程如圖4所示.程序讀取PDF文檔后，需用戶手動剔除目錄頁、附錄頁等不存在頁碼或者頁碼與正文重復的部分，之后由用戶設定正文頁碼在書頁中的位置；在完成這些預備工作后，程序將從進行頁碼識別的部分中隨機抽取幾張完成頁碼識別，根據(jù)識別結果用戶可以選擇重設頁碼所在范圍；在確認頁碼所在范圍設置準確后，程序采用隨機算法確定頁碼缺失情況，并直觀地反饋給用戶；由于受OCR識別算法的準確度限制，有可能出現(xiàn)無法確定缺失頁面的具體頁碼的情況，程序會提示用戶手動確定無法識別頁面的頁碼，直到所有缺失頁都可以被程序確定下來；之后需要用戶將這些缺失頁手動掃描出來，并添加到程序中，在這些工作完成后，系統(tǒng)便可生成一個完整的PDF文檔.

圖4 程序流程圖Fig.4 Program flow chart

6 樣機及操作方式

完成的書籍自動翻頁掃描裝置的樣機，如圖5所示，其主要參數(shù)如下：規(guī)格：700 mm×400 mm×500 mm；適用對象：主流紙質的已裝訂書籍(包括硬脊書籍)；翻頁速度：≥0.7 s/頁；掃描速度：<0.1 s/頁；輸出文檔格式：PDF；翻頁掃描過程錯誤率：<3%；文檔最終錯誤率：<0.1%.

圖5 樣機Fig.5 The model

裝置操作簡單方便，將待掃描的書本放在“V型支架”上，翻至掃描的起始頁面，成120°攤開，

并用“夾子”加持，打開開關，在電腦操作界面中輸入需掃描的總頁碼數(shù)，點擊開始按鈕，即可實現(xiàn)自動翻頁掃描；翻頁掃描結束，再根據(jù)電腦操作界面的提示，剔除不需要的頁面，補全遺漏的頁面；確認掃描信息無誤后，便可以在電腦上得到對應書籍的PDF文檔.

7 結論

筆者設計了一套能夠對已裝訂書籍自動翻頁掃描的裝置，運行穩(wěn)定高效，操作簡單方便，整套設備設計精巧，控制精準，應用機器視覺技術和紅外漏翻檢測技術的雙重反饋，保證自動翻頁掃描的快速進行.該裝置能夠很大程度上減輕文印工作者書籍掃描、復印的勞動強度，可為高校圖書館、小型出版社、文印店等場所帶來極大的便利，具有很高的實用價值.

[1] 冶建科, 趙群飛, 周毅, 等. 一種自動翻頁掃描機器人的研制[J]. 機器人技術與應用, 2009(1): 30-33.

[2] RICOH A. 自動翻頁復印機樣品[J]. 今日電子, 1994(9): 81-82.

[3] 王銀彪. 譜臺翻頁機構設計[J]. 機械設計, 1997(1): 41-42.

[4] 胡東平. 自動翻頁掃描儀控制系統(tǒng)的研究[D]. 長沙:湖南大學電氣與信息工程學院, 2011.

[5] 楊黎明, 楊志勤. 機構選型與運動設計[M]. 北京:國防工業(yè)出版社, 2007.

[6] 毛榮滋. 自動翻譜器——改變千百年來傳統(tǒng)的手翻樂譜方式[J]. 樂器, 2009(2): 122-123.

[7] 宜亞麗，武岳，趙三猛，等.全自動可調式翻頁機構設計[J]. 機械研究與應用，2011(6)：79-81.

[8] 李笑梅，任延東，曹沛新.基于PLC的圖書自動掃描系統(tǒng)的研究[J]. 白城師范學院學報，2013，27(5)：33-36.

Design and Application of an Automatic Page Turning and Scanning Device

PEI Dong-jie, QIN Ying-zhou, ZHANG Zheng

(School of Mechanical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

In order to realize bound paper books turn pages automatically to facilitate reading and scanning， a device which can realize continuous pages turning, scanning and outputting electronic document is designed. Through decomposing, simulating the action of pages turning, and using the mechanical structure and control system, the device achieves the design goal. It is shown that the device can fulfill automatic turn pages and scanning by making prototype. It has stable performance, simple operation, and can reduce the labor intensity of books scanning greatly, which has important practical value.

book; automatic page turning; scanning; design

2014-07-01；

2013-10-09

河南省重點科技攻關項目(122102210090)

裴東杰(1987-)男，河南商丘人，鄭州大學實驗員，碩士，研究領域為CAD/CAM,數(shù)字化設計與優(yōu)化設計，光機電一體化設備開發(fā)，E-mail:peidongjie@zzu.edu.cn.

1671-6833(2015)01-0122-03

TH122；TP23

A

10.3969/j.issn.1671-6833.2015.01.029