□王展妮 張國(guó)亮

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圖書(shū)館機(jī)器人應(yīng)用研究綜述

□王展妮 張國(guó)亮

總結(jié)近年來(lái)機(jī)器人技術(shù)在圖書(shū)館的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出構(gòu)建圖書(shū)館機(jī)器人系統(tǒng)亟需掌握的三項(xiàng)主要關(guān)鍵技術(shù)，深入分析每一項(xiàng)技術(shù)的研究特點(diǎn)，并展望該領(lǐng)域今后的發(fā)展趨勢(shì)。

圖書(shū)館機(jī)器人 無(wú)人搬運(yùn)車 自動(dòng)存取中心 電子標(biāo)簽 機(jī)器人導(dǎo)航

1 引言

近年來(lái)，隨著大型圖書(shū)館的高速發(fā)展，現(xiàn)有的人工操作和管理模式與迅速增長(zhǎng)的館藏形成了鮮明的矛盾。在傳統(tǒng)的工作模式下，圖書(shū)館工作人員每天必須耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力用于分類、整理、上下架和搬運(yùn)等單調(diào)而重復(fù)性的工作。雖然圖書(shū)典藏和自助查詢等工作目前已可借助網(wǎng)絡(luò)信息化部分實(shí)現(xiàn)，但圖書(shū)的采編、咨詢和借閱等方面仍需要人工完成[1]。機(jī)器人作為一種高效的自動(dòng)化設(shè)備，在汽車、機(jī)械、航天等現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展中發(fā)揮了巨大的作用。因此，如何將高效的機(jī)器人應(yīng)用于圖書(shū)館日常管理和服務(wù)，以減輕當(dāng)前圖書(shū)館人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低下的問(wèn)題，成為當(dāng)前圖書(shū)館智能化研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[2]。近年來(lái)，國(guó)外的一些研究機(jī)構(gòu)已對(duì)圖書(shū)館機(jī)器人的可行性進(jìn)行初步的嘗試，并有一些成功應(yīng)用，如英國(guó)國(guó)家圖書(shū)館建立的高科技藏書(shū)庫(kù)，可將700多萬(wàn)冊(cè)圖書(shū)的保管和檢索全部交由機(jī)器人完成，不需要圖書(shū)管理員參與其中[3]。德國(guó)洪堡大學(xué)、美國(guó)芝加哥大學(xué)、猶他州大學(xué)、日本早稻田大學(xué)等高校也建立了類似的圖書(shū)館機(jī)器人系統(tǒng)[4][5]，而國(guó)內(nèi)的這一領(lǐng)域仍停留在理論研究階段，尚無(wú)一例實(shí)際應(yīng)用的機(jī)器人館員出現(xiàn)。

由于圖書(shū)館機(jī)器人學(xué)科跨度大、綜合應(yīng)用性強(qiáng)，近年來(lái)雖有一些相關(guān)文獻(xiàn)出現(xiàn)，但多是從圖書(shū)館信息管理和書(shū)庫(kù)改造等方面探討其可行性，很少?gòu)臋C(jī)器人應(yīng)用角度對(duì)具體涉及的技術(shù)進(jìn)行詳盡的闡述。為此，本文在系統(tǒng)分析國(guó)內(nèi)外圖書(shū)館機(jī)器人研究工作的基礎(chǔ)上，提出構(gòu)建圖書(shū)館機(jī)器人亟需面對(duì)的三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)各項(xiàng)技術(shù)的研究特點(diǎn)進(jìn)行了細(xì)致深入的分析，希望能起到拋磚引玉的作用，為我國(guó)早日應(yīng)用機(jī)器人館員奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

2 國(guó)內(nèi)外圖書(shū)館機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀

按照系統(tǒng)功能的不同，本文將圖書(shū)館機(jī)器人分為自助圖書(shū)館的輔助機(jī)器人系統(tǒng)、機(jī)器人與立體倉(cāng)庫(kù)的結(jié)合應(yīng)用系統(tǒng)、無(wú)人搬運(yùn)車(Automated Guided Vehicle，AGV)的圖書(shū)搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)和全自主智能圖書(shū)存取機(jī)器人系統(tǒng)、智能參考咨詢機(jī)器人五種形式。

2.1 自助圖書(shū)館的輔助機(jī)器人系統(tǒng)

自助型圖書(shū)館最早出現(xiàn)在美國(guó)，是近年來(lái)興起的一種面向少量讀者的迷你型圖書(shū)館(見(jiàn)圖1)。與銀行的ATM機(jī)類似，這類圖書(shū)館不需要人工服務(wù)，圖書(shū)的借閱和歸還完全由讀者獨(dú)立完成，其后臺(tái)書(shū)庫(kù)由具有一定移動(dòng)能力的小型機(jī)柜構(gòu)成，根據(jù)窗口配置的不同，可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)圖書(shū)的自動(dòng)存取操作。近年來(lái)，我國(guó)各地已陸續(xù)建立了許多面向不同應(yīng)用的自助圖書(shū)館，如首都圖書(shū)館北門的自動(dòng)圖書(shū)館，香港科技大學(xué)的自動(dòng)圖書(shū)館等[6]。

圖1 迷你型小型圖書(shū)館

與傳統(tǒng)的人工借閱圖書(shū)館相比，自助圖書(shū)館的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需人員干預(yù)就可實(shí)現(xiàn)即時(shí)服務(wù)，降低了圖書(shū)物流和人力成本，還可提供24小時(shí)的圖書(shū)借還服務(wù)。然而，自助圖書(shū)館多采用固定的箱儲(chǔ)式結(jié)構(gòu)，有限的存儲(chǔ)空間使得圖書(shū)館容納的圖書(shū)非常有限，同時(shí)，具有靈巧操作的機(jī)械手應(yīng)用也較少，借還書(shū)多采用類似傳送帶的簡(jiǎn)單進(jìn)給機(jī)構(gòu)，智能化程度較低。

2.2 機(jī)器人與立體倉(cāng)庫(kù)的結(jié)合應(yīng)用系統(tǒng)

為提高大型圖書(shū)館的自動(dòng)化處理能力，一些圖書(shū)館借鑒了工業(yè)碼垛機(jī)器人的操作特點(diǎn)，提出面向立體倉(cāng)庫(kù)的應(yīng)用形式。如美國(guó)猶他州維拉德·麥若特圖書(shū)館提出可容納200萬(wàn)冊(cè)圖書(shū)的自動(dòng)存取中心(Automated Retrieval Center， ARC)概念。美國(guó)芝加哥大學(xué)的曼索托圖書(shū)館基于ARC思想，提出了機(jī)器人堆疊書(shū)庫(kù)管理系統(tǒng)[4]，在對(duì)書(shū)庫(kù)進(jìn)行立體化改建后，利用變位機(jī)和碼垛機(jī)器人共同完成圖書(shū)的存取，收藏圖書(shū)可達(dá)350萬(wàn)冊(cè)，而占地面積僅為常規(guī)書(shū)庫(kù)的七分之一。

與工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用類似，ARC的工作效率和自動(dòng)化程度非常高，但系統(tǒng)的可靠性仍有一定缺陷，當(dāng)自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可能出現(xiàn)整個(gè)書(shū)庫(kù)需要重新啟動(dòng)的尷尬。另外，高昂的系統(tǒng)造價(jià)使得ARC很難在普通圖書(shū)館廣泛應(yīng)用，我國(guó)目前還沒(méi)有圖書(shū)館使用這類設(shè)備。

圖2 ARC

2.3 AGV的圖書(shū)搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)

AGV指裝備有電磁或光學(xué)等自動(dòng)導(dǎo)引裝置，沿規(guī)定的導(dǎo)引路徑行駛，具有安全保護(hù)以及各種移載功能的運(yùn)輸車。AGV最早應(yīng)用于倉(cāng)儲(chǔ)業(yè)的出入庫(kù)貨物自動(dòng)搬運(yùn)，目前已成為自動(dòng)化物流系統(tǒng)及企業(yè)自動(dòng)化裝備中不可缺少的重要組成部分。AGV具有并行作業(yè)、自動(dòng)化程度高等操作特點(diǎn)，恰好滿足了圖書(shū)館圖書(shū)存取作業(yè)強(qiáng)度大、流程經(jīng)常調(diào)整以及搬運(yùn)過(guò)程單一的應(yīng)用需求[7]，具有代表性的系統(tǒng)是德國(guó)洪堡大學(xué)圖書(shū)館(見(jiàn)圖3)和日本大阪市立大學(xué)圖書(shū)館(見(jiàn)圖4)的AGV圖書(shū)館機(jī)器人。

德國(guó)洪堡大學(xué)圖書(shū)館AGV系統(tǒng)[5]可在服務(wù)總臺(tái)與各功能區(qū)之間自動(dòng)傳送需要上架和分檢的圖書(shū)，以中央閱覽室四周鋼柱上的金屬感應(yīng)條為循跡的依據(jù)，將圖書(shū)收納箱自動(dòng)裝卸在固定的位置。這一系統(tǒng)不僅可以在同一樓層工作，還可出入電梯，在不同樓層之間搬運(yùn)圖書(shū)。該機(jī)器人系統(tǒng)共耗資38萬(wàn)歐元，相當(dāng)于該館7個(gè)圖書(shū)館員的年薪。

圖3 德國(guó)洪堡大學(xué)機(jī)器人在總服務(wù)臺(tái)卸載書(shū)箱

與德國(guó)洪堡大學(xué)圖書(shū)館不同，日本大阪市立大學(xué)圖書(shū)搬運(yùn)機(jī)器人沒(méi)有在地面鋪設(shè)導(dǎo)軌，機(jī)器人的導(dǎo)航由埋設(shè)在地面下的磁導(dǎo)引線實(shí)現(xiàn)。讀者閱讀后可直接將圖書(shū)放在書(shū)籍收納箱上，AGV小車會(huì)根據(jù)指令自動(dòng)行駛到收納箱旁，利用托起機(jī)構(gòu)將其并搬運(yùn)至指定的存放地點(diǎn)。

圖4 日本大阪市立大學(xué)圖書(shū)館搬運(yùn)機(jī)器人

與價(jià)格高昂的立體倉(cāng)庫(kù)相比，AGV可在不改變圖書(shū)館書(shū)庫(kù)空間結(jié)構(gòu)的前提下，自動(dòng)完成圖書(shū)的搬運(yùn)和放置等重復(fù)性工作，但這類機(jī)器人系統(tǒng)并不能完成圖書(shū)的自動(dòng)上下架操作，圖書(shū)整理和上下架等后續(xù)工作仍需要由人工完成。不過(guò)，由于該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作效率高、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，目前仍然是普通圖書(shū)館進(jìn)行自動(dòng)化改造的主流構(gòu)建方案，歐美等許多大型圖書(shū)館都已建立了各具特色的AGV圖書(shū)搬運(yùn)系統(tǒng)，但我國(guó)尚未見(jiàn)到實(shí)際應(yīng)用的案例。

2.4 全自主智能圖書(shū)存取機(jī)器人系統(tǒng)

全自主智能圖書(shū)存取是指具有自動(dòng)完成圖書(shū)搬運(yùn)、存取、上下架和整理等一系列操作的機(jī)器人系統(tǒng)，由于涉及的智能化和自動(dòng)化程度非常高，這種系統(tǒng)目前尚處于研究探索階段，具有代表性的應(yīng)用主要有綜合獲取印刷資料(Comprehensive Access to Printed Materials, CAPM)和西班牙海梅一世大學(xué)(Universitat Jaume I，UJI)系統(tǒng)。

CAPM系統(tǒng)是由美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)研制的面向異地圖書(shū)存取的應(yīng)用研究項(xiàng)目[8](見(jiàn)圖5)，主要包括移動(dòng)裝置、機(jī)械手、升降裝置和視覺(jué)等幾部分。當(dāng)用戶請(qǐng)求異地館藏的書(shū)籍時(shí)，檢索機(jī)器人首先會(huì)自動(dòng)檢索書(shū)庫(kù)，找到想要的項(xiàng)目，并把它傳遞到一個(gè)頁(yè)面自動(dòng)轉(zhuǎn)換掃描系統(tǒng)，系統(tǒng)將在用戶的要求下自動(dòng)翻轉(zhuǎn)書(shū)籍的頁(yè)面。掃描完成后，檢索機(jī)器人會(huì)將書(shū)歸還書(shū)庫(kù)或進(jìn)行實(shí)物交付。CAPM突出的特點(diǎn)是即使是大學(xué)以外的用戶也可以異地瀏覽館藏材料，使數(shù)字化需求成為現(xiàn)實(shí)。但CAPM對(duì)于書(shū)架的要求較高，為了保證機(jī)器手夾取圖書(shū)的可靠，需要采用類似文件夾的裝置使圖書(shū)保持直立，同時(shí)圖書(shū)之間需要松散放置，以保證夾取時(shí)留有充足的空間[9]。

圖5 霍普金斯大學(xué)圖書(shū)館機(jī)器人

針對(duì)書(shū)架適應(yīng)性問(wèn)題，西班牙卡斯捷羅大學(xué)的拉莫斯·加里霍等人提出綜合多傳感信息的UJI[10-11]圖書(shū)存取機(jī)器人。UJI的機(jī)械系統(tǒng)與CAPM類似，其不同之處在于圖書(shū)存取集成了多種傳感信息，當(dāng)UJI收到讀者提出的圖書(shū)查詢請(qǐng)求后，首先利用從數(shù)據(jù)庫(kù)中取得圖書(shū)的存放位置信息行駛到書(shū)架旁邊，然后利用紅外和激光傳感器對(duì)4米范圍內(nèi)的全部圖書(shū)進(jìn)行掃描，將機(jī)器人定位到所需圖書(shū)附近，最后利用手爪上的手眼機(jī)構(gòu)抓取指定圖書(shū)。由于手眼視覺(jué)的定位非常準(zhǔn)確，因此對(duì)于書(shū)架及圖書(shū)之間的緊密程度的要求并不高，較適宜在傳統(tǒng)圖書(shū)館中推廣應(yīng)用。

圖6 UJI圖書(shū)館機(jī)器人

2.5 智能參考咨詢機(jī)器人

人工咨詢服務(wù)形式已在圖書(shū)館系統(tǒng)應(yīng)用多年，由于圖書(shū)館咨詢館員的人數(shù)有限，雖然在正常工作時(shí)間能夠較好地開(kāi)展實(shí)時(shí)咨詢服務(wù)，然而在非工作時(shí)間或節(jié)假日期間，往往無(wú)法滿足咨詢服務(wù)的需求。近年來(lái)，隨著人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等新興技術(shù)的發(fā)展，一種基于自動(dòng)化處理思想的自主讀者咨詢服務(wù)軟件正悄然升起，目前這一領(lǐng)域主要可分為三類：數(shù)字參考咨詢軟件、IM即時(shí)通訊軟件和用戶定制軟件。其中，IM 軟件因其用戶基礎(chǔ)廣泛、交流形式便捷和成本低廉等優(yōu)勢(shì)受到了一些高校圖書(shū)館的重視，如清華大學(xué)圖書(shū)館的“小圖”和上海交通大學(xué)圖書(shū)館的“小交”是其中比較具有代表性的軟件。小圖是基于人工智能標(biāo)記語(yǔ)言 (Artificial Intelligent Marker Language，AIML)的人工智能機(jī)器人軟件，通過(guò)積累AIML語(yǔ)料庫(kù)實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，并使機(jī)器人具有記憶和學(xué)習(xí)能力。小交是基于MSN的智能聊天機(jī)器人，具有自主聊天、資源查詢、學(xué)科導(dǎo)航和借閱提醒等功能。另外，基于語(yǔ)音服務(wù)的研究方向也逐漸被引入到咨詢服務(wù)當(dāng)中，如蘋果公司的“siri”軟件和微軟公司的“小娜”都是其中典型的代表。

3 圖書(shū)館機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

通過(guò)比較近年來(lái)應(yīng)用于圖書(shū)館的機(jī)器人系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)，盡管國(guó)外提出了一些系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，但目前尚無(wú)一套完備成熟的技術(shù)和裝備能夠在圖書(shū)館領(lǐng)域推廣，國(guó)內(nèi)在這方面的研究更是基本處于空白。究其原因，主要是因?yàn)榫哂幸欢ㄗ灾髂芰Φ臋C(jī)器人館員是一種高度復(fù)雜的智能機(jī)器人系統(tǒng)，其研究?jī)?nèi)容不僅涉及到圖書(shū)館自身的信息服務(wù)，更涵蓋定位、導(dǎo)航、控制等多學(xué)科領(lǐng)域，而目前在我國(guó)的圖書(shū)館同時(shí)具備自動(dòng)化、信息處理及圖書(shū)情報(bào)綜合背景的研究性人才非常匱乏，多數(shù)的圖書(shū)館員只具備單一的學(xué)科背景知識(shí)，因此很難從全局的角度設(shè)計(jì)和規(guī)劃系統(tǒng)。為此，筆者結(jié)合機(jī)器人學(xué)和圖書(shū)館日常工作的應(yīng)用背景，提出建立圖書(shū)館機(jī)器人系統(tǒng)需要掌握的三項(xiàng)主要關(guān)鍵技術(shù)：圖書(shū)定位、機(jī)器人導(dǎo)航和書(shū)籍拾取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。按照人工圖書(shū)檢索的思路，分別對(duì)應(yīng)為圖書(shū)在哪、如何找到圖書(shū)和圖書(shū)拾取三項(xiàng)內(nèi)容。

3.1 圖書(shū)定位技術(shù)

圖書(shū)定位目前主要分為條形碼結(jié)合磁條定位和射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID定位兩類[12]。條形碼是將寬度不等的多個(gè)黑條和空白，按照一定的編碼規(guī)則排列，用以表達(dá)一組信息的圖形標(biāo)識(shí)符。根據(jù)掃描原理的差異，識(shí)別可以分為光筆、CCD和激光三種。條碼技術(shù)具有速度快、可靠性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、成本低廉等特點(diǎn)，因此，目前國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)圖書(shū)館都采用條碼識(shí)別作為圖書(shū)流通和信息采集的工具。不過(guò)，條碼識(shí)別的防盜功能較差，讀者如撕下條碼，即可輕易將圖書(shū)帶出圖書(shū)館。為了安全起見(jiàn)，許多圖書(shū)館在書(shū)脊內(nèi)植入磁條以加強(qiáng)防盜功能，但手工植入磁條，對(duì)于上百萬(wàn)本藏書(shū)的大型圖書(shū)館而言，勞動(dòng)強(qiáng)度非常大。

條形碼對(duì)于書(shū)籍辨別非常有效，但卻不適于機(jī)器人圖書(shū)館應(yīng)用。首先，目前圖書(shū)館內(nèi)普遍使用的一維條碼僅對(duì)圖書(shū)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，涵蓋信息非常少，而機(jī)器人要想準(zhǔn)確定位到圖書(shū)需要大量的細(xì)節(jié)信息。其次，為有效識(shí)別，掃描器必須直接對(duì)準(zhǔn)條形碼，中間不能有阻擋，這為機(jī)器人定位書(shū)籍帶來(lái)了相當(dāng)大的難度。

基于無(wú)線射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)的RFID自動(dòng)識(shí)別彌補(bǔ)了條形碼存在信息儲(chǔ)存量小、識(shí)別單一及識(shí)別距離有限的缺陷。RFID，俗稱電子標(biāo)簽(見(jiàn)圖7)，具有小而薄、柔韌性好、可植入和可讀取的特性。RFID標(biāo)簽?zāi)軌蛟陂喿x器的作用范圍內(nèi)被讀取(若干厘米到1千米)[13]，不僅避免了遮擋無(wú)法識(shí)別的困難，而且消除了上磁、消磁及磁條磁性弱化等問(wèn)題[14]。在圖書(shū)館應(yīng)用領(lǐng)域，新加坡國(guó)立大學(xué)圖書(shū)館是最早開(kāi)展RFID技術(shù)的圖書(shū)館，并在2002年提出了基于RFID定位技術(shù)的圖書(shū)館機(jī)器人[15]，不過(guò)，該系統(tǒng)需要對(duì)書(shū)架進(jìn)行改造，其設(shè)計(jì)思路沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。隨后，美國(guó)、加拿大等過(guò)也相繼對(duì)這項(xiàng)技術(shù)開(kāi)展了研究。我國(guó)目前已有一些采用RFID代替條形碼進(jìn)行信息采集的圖書(shū)館，如集美大學(xué)誠(chéng)毅學(xué)院圖書(shū)館、深圳圖書(shū)館新館[16]，但尚未有將RFID與機(jī)器人結(jié)合應(yīng)用的報(bào)道。

目前來(lái)看，將RFID技術(shù)用于機(jī)器人定位圖書(shū)主要有兩點(diǎn)困難，其一是RFID的作用距離與系統(tǒng)成本的矛盾。為保證攜帶RFID掃描設(shè)備的機(jī)器人能夠遠(yuǎn)距離無(wú)遮擋識(shí)別圖書(shū)，其工作頻率需要設(shè)定較高，而高頻RFID標(biāo)簽體積非常大，隱蔽性能較差，可能會(huì)給圖書(shū)的安全帶來(lái)隱患，但如果將識(shí)別標(biāo)簽的外形尺寸減小，又會(huì)提高成本，對(duì)于需要植入大量標(biāo)簽的圖書(shū)館而言，難以實(shí)現(xiàn)。其二是目前采用RFID作為機(jī)器人室內(nèi)定位時(shí)，其精度范圍仍有待提高。普通型RFID最小定位誤差在2～3米[17]左右，對(duì)于書(shū)脊寬度為10mm左右的圖書(shū)，顯然是難以滿足要求的。因此，為提高識(shí)別精度，有學(xué)者嘗試將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)與RFID技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)不同范圍的聯(lián)合定位，即首先用RFID粗定位圖書(shū)所在的大致范圍，然后用機(jī)器視覺(jué)對(duì)圖書(shū)進(jìn)行精確定位，如美國(guó)李等人利用視覺(jué)模式匹配方法對(duì)圖書(shū)書(shū)脊進(jìn)行識(shí)別[18]。視覺(jué)方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)小范圍精確識(shí)別，不足之處是檢測(cè)方法會(huì)受到光照、遮擋等因素的影響。因此，如何有效綜合這兩種方法，是有待學(xué)者深入研究的課題。

圖7 RFID標(biāo)簽

3.2 機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)

機(jī)器人導(dǎo)航是實(shí)現(xiàn)圖書(shū)館機(jī)器人應(yīng)用的關(guān)鍵。在導(dǎo)航控制領(lǐng)域，有多種方法可用于機(jī)器人自主導(dǎo)航，如電磁導(dǎo)引、磁帶導(dǎo)引、光學(xué)導(dǎo)引、激光導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航和視覺(jué)導(dǎo)航等[19][20]。不管采用哪種導(dǎo)航方式，導(dǎo)航成功與否的關(guān)鍵是對(duì)于環(huán)境信息的理解與運(yùn)用。相比于一般的導(dǎo)航問(wèn)題，圖書(shū)館機(jī)器人導(dǎo)航有其特殊之處。首先，圖書(shū)館的結(jié)構(gòu)環(huán)境是基本固定的，圖書(shū)館空間布局及書(shū)架位置都是在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有變化的，這些結(jié)構(gòu)信息能夠?yàn)闄C(jī)器人導(dǎo)航提供非常大的便利條件。其次，導(dǎo)航系統(tǒng)中的可變因素主要是圖書(shū)和讀者信息，而這些信息在圖書(shū)館的管理系統(tǒng)中也是可查詢和檢索的。因此，圖書(shū)館機(jī)器人的導(dǎo)航問(wèn)題可以歸結(jié)為不完全非確定環(huán)境下的導(dǎo)航應(yīng)用問(wèn)題，從技術(shù)難度上來(lái)講并不難實(shí)現(xiàn)，其關(guān)鍵問(wèn)題是如何提高路徑導(dǎo)航的準(zhǔn)確性和快速性。從目前一些實(shí)際應(yīng)用的項(xiàng)目來(lái)看，對(duì)于一般的圖書(shū)館，基于人工路標(biāo)的導(dǎo)航方式可行性較好，如日本大阪市立大學(xué)圖書(shū)搬運(yùn)機(jī)器人就采用這種方式。這種路標(biāo)可采用在地面鋪設(shè)電磁導(dǎo)引線或光學(xué)可識(shí)別標(biāo)記的方式，使機(jī)器人按照確定的軌跡運(yùn)動(dòng)。為避免人工路標(biāo)受到環(huán)境的影響，可以采用埋入地面結(jié)合空間布設(shè)導(dǎo)引線的應(yīng)用形式。

3.3 機(jī)器人拾取圖書(shū)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

機(jī)器人拾取圖書(shū)的機(jī)構(gòu)對(duì)于圖書(shū)館機(jī)器人的應(yīng)用至關(guān)重要，從目前已應(yīng)用的一些項(xiàng)目來(lái)看，主要采用了結(jié)合移動(dòng)平臺(tái)、單臂和手指夾持的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

3.3.1 機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

按照運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方式不同，機(jī)器人的移動(dòng)方式通常有輪式、履帶式和多足式三種[21]。由于輪式機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、移動(dòng)效率高和控制簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，比較適合作為圖書(shū)館機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)。按照輪子在底盤空間布局的不同，輪式機(jī)構(gòu)可分為兩輪、三輪、四輪及多輪的結(jié)構(gòu)[22]。輪子布局設(shè)計(jì)主要需要考慮系統(tǒng)的平衡性和機(jī)動(dòng)性兩方面。一般而言，三個(gè)輪子足可以保證平臺(tái)穩(wěn)定，因此三輪以上的系統(tǒng)一般不需要考慮平衡性問(wèn)題，兩輪系統(tǒng)雖然轉(zhuǎn)向非常靈活，但必須給予初始慣量才能保證系統(tǒng)平衡，一般不適宜應(yīng)用在圖書(shū)館。從機(jī)動(dòng)性考慮，三輪和四輪都是可供選擇的方案，三輪機(jī)構(gòu)可以選用后雙輪差動(dòng)驅(qū)動(dòng)、前輪萬(wàn)向轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)形式，這種結(jié)構(gòu)可以基本實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑，非常適合在室內(nèi)狹小的空間中運(yùn)動(dòng)。四輪結(jié)構(gòu)主要有兩后輪驅(qū)動(dòng)兩前輪導(dǎo)向和四輪驅(qū)動(dòng)兩種，其機(jī)動(dòng)性和平穩(wěn)性優(yōu)于三輪，但轉(zhuǎn)彎半徑較大。

3.3.2 拾取手臂的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖書(shū)拾取手臂主要可分為兩類，一種是直角坐標(biāo)垂直升降臂，一種是類似工業(yè)機(jī)器人的多自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械臂[23]。前者的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要繁瑣復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，但是操作空間的范圍有限，后者可以充分利用工業(yè)機(jī)器人已有的一些研究基礎(chǔ)，在操作范圍和精度方面具有優(yōu)勢(shì)。除了需要考慮操作空間和控制精度，系統(tǒng)平穩(wěn)性也是手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)研究的問(wèn)題。由于臂/手在上下架拾取圖書(shū)時(shí)，系統(tǒng)靜態(tài)平衡被打破，可能存在傾覆。因此，在系統(tǒng)中加入一定的配重或采用具有降低重心的結(jié)構(gòu)是保證系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。

3.3.3 夾持器設(shè)計(jì)

機(jī)器人在拾取圖書(shū)時(shí)，圖書(shū)的擺放主要有兩種情況，一種是圖書(shū)之間有間隔，另一種圖書(shū)之間緊密排列。對(duì)于稀疏擺放的圖書(shū)，末端執(zhí)行器只需要一個(gè)雙指夾持機(jī)構(gòu)就可完成圖書(shū)的夾取和放置等動(dòng)作。但對(duì)于圖書(shū)緊密而有序排列的情況，情況就復(fù)雜得多。為使機(jī)器人在拾取圖書(shū)的過(guò)程中不對(duì)周邊其他的圖書(shū)產(chǎn)生影響，需要在末端執(zhí)行器上加入力覺(jué)感知，以提高夾持動(dòng)作的柔順性和靈巧性。具有六維力傳感的多指靈巧手是理想的夾持方案[24]，但造價(jià)較高，一種可行的方案是在兩指夾持之上附加一個(gè)撥書(shū)機(jī)構(gòu)，避免在抓取操作時(shí)與其他書(shū)籍發(fā)生剛性碰撞。

4 圖書(shū)館機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)

圖書(shū)館機(jī)器人的出現(xiàn)為圖書(shū)借閱自動(dòng)化奠定了良好的基礎(chǔ)，然而，將機(jī)器人應(yīng)用于圖書(shū)館是一個(gè)涉及資金、設(shè)備、技術(shù)和服務(wù)的綜合系統(tǒng)工程。從目前的研究發(fā)展來(lái)看，筆者認(rèn)為，可以從以下幾方面開(kāi)展適合我國(guó)國(guó)情的實(shí)用型圖書(shū)館機(jī)器人研究。

4.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能書(shū)庫(kù)和機(jī)器人技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用

將物聯(lián)網(wǎng)與機(jī)器人技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，一方面能夠從根本上解決物理實(shí)體的自動(dòng)識(shí)別、互聯(lián)訪問(wèn)、自動(dòng)管理，尤其是圖書(shū)的自動(dòng)精確定位等問(wèn)題；另一方面，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)圖書(shū)館的建筑、書(shū)庫(kù)和書(shū)架等基礎(chǔ)設(shè)施的改造成本較低，可在較少的資金投入情況下，建立以機(jī)器人自動(dòng)化為核心，以信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為媒介的智能化圖書(shū)館管理模式。

4.2 多智能體機(jī)器人系統(tǒng)在圖書(shū)館的應(yīng)用

多智能體技術(shù)融合了計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、控制科學(xué)和人工智能等前沿領(lǐng)域。目前在圖書(shū)館機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域，仍以單個(gè)的移動(dòng)機(jī)器人為主要的服務(wù)載體，將移動(dòng)機(jī)器人和多智能體相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)單機(jī)器人無(wú)法實(shí)現(xiàn)的工作，如機(jī)器人自定位、協(xié)作搬運(yùn)和導(dǎo)航、多任務(wù)分配等。雖然多機(jī)器人的規(guī)劃和導(dǎo)航要比單機(jī)器人復(fù)雜的多，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的角度來(lái)看，多智能體機(jī)器人應(yīng)用必然是今后圖書(shū)館機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)主要方向。

4.3 面向特殊服務(wù)的設(shè)計(jì)方案

目前應(yīng)用于圖書(shū)館的機(jī)器人多借鑒了工業(yè)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并沒(méi)有專門應(yīng)對(duì)圖書(shū)服務(wù)的專業(yè)型機(jī)器人出現(xiàn)。與一般的工業(yè)機(jī)器人的操作不同，機(jī)器人在圖書(shū)館經(jīng)常要面對(duì)許多特殊的服務(wù)，如非常薄的書(shū)頁(yè)翻頁(yè)、不同厚度的書(shū)籍夾取及書(shū)頁(yè)內(nèi)容的掃描及識(shí)別等。這些特殊的應(yīng)用為現(xiàn)有的機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)體系提出了新的挑戰(zhàn)。因此，設(shè)計(jì)具有專業(yè)化，能夠滿足圖書(shū)館特殊應(yīng)用需求的服務(wù)機(jī)器人是值得研究者進(jìn)一步研究的課題。

5 結(jié)語(yǔ)

機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)圖書(shū)館作業(yè)自動(dòng)化和智能化的良好載體，具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?。本文?duì)圖書(shū)館機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)了系統(tǒng)的總結(jié)與評(píng)價(jià)，其研究成果對(duì)當(dāng)前機(jī)器人在圖書(shū)館的應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

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Survey of Robot Application in Libraries

Wang Zhanni Zhang Guoliang

Firstly, this paper reviews the recent research situation of robot technology application in library. Then, it points out three major technologies of library robot, and presents a detailed analysis for each technology. Finally, the technology development trends of library robot are described.

Library Robot; AGV; ARC; RFID; Robot Navigation

王展妮，ORCID：0000-0003-1268-3841，26262423@qq.com。

華僑大學(xué)圖書(shū)館, 廈門, 361021

2014年11月13日