北京聯(lián)合大學(xué)生物化學(xué)工程學(xué)院 王 宏 楊志成 任惠榮

圖書上下架機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其機器手的樣機試驗

北京聯(lián)合大學(xué)生物化學(xué)工程學(xué)院 王 宏 楊志成 任惠榮

在分析了現(xiàn)有的圖書館機器人的基礎(chǔ)上，提出了一種可重構(gòu)變形的圖書上下架機器人。將機器人分為機器手、升降機構(gòu)和行走機構(gòu)三部分，并對各部分的功能、結(jié)構(gòu)和尺寸進行了分析。依照設(shè)計方案制作了機器手樣機，并對機器手樣機進行了實驗室拿取圖書的實驗，實驗效果達到預(yù)期目的。

圖書館機器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計；重構(gòu)變形；樣機試驗

目前全國圖書館、檔案館的規(guī)模在發(fā)生日新月異的變化。圖書的日常管理中，分類、運輸和上下架等作業(yè)需要花費大量的人力和物力，難免會出現(xiàn)圖書分類錯誤和倒書錯誤。一些國家在圖書館機器人方面進行大量研究。在2002 年美國猶他州J.Willard Marriott 圖書館成功地研制了一種大型自動圖書存取中心（Automated Retrieval Center，簡稱 ARC）。它采取立體化倉庫設(shè)置[1]。搬運機器人在德國洪堡大學(xué)圖書館和日本大阪市立大學(xué)圖書館中已經(jīng)得到應(yīng)用[2]。美國約翰·霍普金斯大學(xué)的研究人員提出了一種完整意義上的圖書館機器人[3]。2010年底，在北京、上海、廣州、深圳、鄭州、鄂爾多斯等人口密集地區(qū)，相繼推出了微小型自動化圖書庫[4]。

但是，現(xiàn)有的圖書館機器人普遍存在的問題是：機器手不夠?qū)I(yè)，無法用一只手在密集的書本之間對書本自主進行上下架操作；機器人相對矮小，無法碼放書架高層的圖書；常規(guī)四輪行走機構(gòu)在較窄的運動空間中改變位姿困難，機器人與書架之間的相對位姿不易控制。

1.圖書上下架機器人的整體設(shè)計

針對上述機器人出現(xiàn)的問題，根據(jù)TRIZ（theory of inventive problem solving）意譯為發(fā)明問題的解決理論。提出一種可以重構(gòu)變形機械結(jié)構(gòu)的機器人，圖書上下架機器人結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。它的主體由圖書上下架的機器手部分、升降部分和行走部分組成。

圖1 圖書上下架機器人結(jié)構(gòu)簡圖

2.機器手機構(gòu)的分析設(shè)計

2.1 機器手機構(gòu)的特性分析

圖書館機器人機器手的工作區(qū)域由電機的旋轉(zhuǎn)運動軌跡和絲杠的直線運動軌跡而確定，因此選用執(zhí)行機構(gòu)為轉(zhuǎn)動副和移動副構(gòu)成的復(fù)合運動副。轉(zhuǎn)動副由三個直流電機實現(xiàn)，移動副由一個直流電機和一個絲杠實現(xiàn)[5]。工作部分具體由四自由度機器臂、電源、控制器以及傳感器云臺組成。其中機器臂由基座、大臂、小臂、腕關(guān)節(jié)和手等部分組成，顯然四自由度的機械臂有很大的作業(yè)空間。在工作過程中，機器人先要進行目標圖書所在位置獲取，根據(jù)目標圖書位姿信息自主調(diào)整機器手的位姿，實現(xiàn)對目標物體的精確定位、抓取、夾持、搬運與碼放。機器人的所有關(guān)節(jié)都由直流電機驅(qū)動，每個電機都帶有減速箱和碼盤反饋，反應(yīng)各個關(guān)節(jié)所對應(yīng)的位置[6]。

2.2 機器手機構(gòu)的設(shè)計

如圖2所示，絲杠相當(dāng)于機器臂。它由絲杠和導(dǎo)軌組成，它們之間相對位置變化決定了機器臂的長度。機器手安裝在絲杠平臺上，機器手也是機器手指的運動平臺。手指部分如圖2所示。絲杠平臺處固定兩個手指電機，固定了電機就確定了手指的安裝位置，固定方式可以采用螺栓連接[6]。

圖2 機器手結(jié)構(gòu)簡圖及受力分析圖

機器手主要包括：分書器、分書電機、夾書器、夾書電機等部件。分書器與夾書器之間通過連桿耦合鉸接，分書電機與夾書電機安裝在絲杠云臺上，位置固定。將電機的運動狀態(tài)分為：停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。兩個電機運動狀態(tài)進行耦合，它們之間的機械運動構(gòu)成了分書、夾書、取書、存書等復(fù)雜運動。電機運動與機器手運動狀態(tài)對照如表1所示。

表1 電機運動與機器手運動狀態(tài)對照表

機器手結(jié)構(gòu)如圖3所示。分書電機帶動分書器絲杠轉(zhuǎn)動，而夾書器電機不轉(zhuǎn)動，使得分書器連桿張開，分書器連桿與夾書器連桿之間有4個連桿連接。當(dāng)分書器張開到與書同厚時，夾書器也張開到同樣寬度，伸縮臂繼續(xù)伸出，將書送達書架最里層。夾書器電機開始工作，帶動夾書器絲杠轉(zhuǎn)動。使得夾書器向外運動并繼續(xù)張開。此時有兩種情況產(chǎn)生，一是分書器兩側(cè)圖書架上的圖書被分開；二是夾書器張開到連桿與夾書器超過90o角時，夾書器對圖書的夾力逐漸減小，角度大到一定時減小為零，伸縮臂收回，夾書器、分書器依次閉合。

圖3 機器手結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 機器手的尺度分析

機器手的大小決定機器人能否順利地拿取圖書、存放圖書。它的大小取決于市場通用圖書的大?。阂源?6K精裝書成品尺寸： 297毫米╳210毫米╳20毫米為例。機器手一般拿捏圖書中間位置最為穩(wěn)定。機器手分書器為125毫米，夾書器大小為110 毫米。連桿長度為15毫米，在夾書過程中可以超過書本的厚度，不會夾書過程中損壞書皮。夾書器內(nèi)部裝有兩塊麻糙布塊，以增加夾書器與書籍之間的摩擦力，防止圖書滑落。

在機器手的控制中，電機的負載是考慮的重要因素。為了保證機器手有足夠的力矩輸出對書籍存取，還要防止電機過大，自身重量也大，給上一級造成內(nèi)耗。將上述雙連桿機構(gòu)分解為兩個單環(huán)機構(gòu)，一個單環(huán)受力分析圖所示。其約束條件為：

R為電機輸出軸的半徑，l為輸出軸到兩個支點距離之和的一半。

由于連桿的轉(zhuǎn)動慣量較小，可以忽略不計，因此，電機在輸出軸上的力為：

A為加速度，P0為0支點反作用力，P1為1支點反作用力。

輸出軸的角速度為：

經(jīng)過上述分析，通過實驗可以確定電機力矩大小，從而設(shè)計電機的大小和型號。

3.試驗與結(jié)論

3.1 機器手樣機試驗

通過試驗，可以檢驗項目設(shè)計的各個結(jié)構(gòu)是否符合設(shè)計要求，同時發(fā)現(xiàn)設(shè)計的不足，并加以改進，提高研究項目的功效。在本試驗中，主要驗證機器手的動作，因為單手符合鉸接機構(gòu)作為機器手被首次提出，因此它是試驗的關(guān)注重點。

實驗步驟：首先按照設(shè)計要求，制作機器手樣機，樣機如圖(a)所示；對兩個直流電機進行通電試驗，機器手順利地夾持圖書，夾書效果如圖(b)所示；機器手是以機器臂為平臺工作的，圖(c)和圖(d)是在機器臂平臺上做的聯(lián)動實驗。

3.2 結(jié)論

圖書上下架機器人融合了機械技術(shù)、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)和信息技術(shù)等學(xué)科。圖書上下架機器人機構(gòu)設(shè)計簡單，易于進行電氣控制；實現(xiàn)了四輪行走機構(gòu)與書架之間的相對位姿控制問題；達到了用一只手在密集的書本之間對書本進行上下架操作；解決了對書架高層圖書的碼放問題。試驗驗證了樣機的有效性，完成了預(yù)期目標。

[1]崔建偉,宋愛國,莊皓蘭,等．機器人技術(shù)在圖書館自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]．機器人技術(shù)與應(yīng)用,2009(06):18-20．

[2]圖書館機器人[J/OL]．2008-04-08 [2014-03-21]．http:// blog．sina．com．cn/s/blog_4978019f01008w1q．html．

[3]Suthakorn J,Lee S,Zhou Yu,et al．A Robotic Library System for an Off-Site Shelving Facility[C]．Washington DC:Proceedings of the2002 IEEE International Conference on Robotics & Automation,2002:3589-3594．

[4]方建軍,張曄．圖書館圖書自動存取機器人的研究與應(yīng)用[J]．圖書館建設(shè),2012．7:79-81．

[5]楊志成,張利霞,張景勝．圖書上下架機器人:中國,20111007408．6[P]．2011-3-25．

[6]楊志成,張景勝,張利霞．圖書上下架機器人機器手控制器設(shè)計與實現(xiàn)[J]．現(xiàn)代制造工程,2011．4:42-45．

王宏，女，北京聯(lián)合大學(xué)，實驗師，研究方向：自動控制。

楊志成，男，北京聯(lián)合大學(xué)，高級實驗師，碩士，研究方向：機械設(shè)計與控制。