晁艷普

(許昌學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,河南 許昌 461000)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，圖書館、檔案館的規(guī)模發(fā)生了日新月異的變化。圖書館作為科技人才的知識庫，應(yīng)跟隨時(shí)代的發(fā)展同步升級，但現(xiàn)有的圖書館管理仍非常落后。在目前的圖書日常管理中，分類、整理、清點(diǎn)、運(yùn)輸和上下架等作業(yè)需要花費(fèi)大量的人力和物力，有時(shí)還會出現(xiàn)圖書分類錯(cuò)誤[1]。如何實(shí)現(xiàn)圖書的借閱、上架、下架、清點(diǎn)、整理、傳送的機(jī)械化、自動(dòng)化，是圖書館目前需要解決的問題。采用智能圖書管理機(jī)器人是未來圖書管理發(fā)展的大趨勢[2-3]。

目前，國內(nèi)外圖書館的圖書自動(dòng)存取技術(shù)主要采用以下三種模式[4]。一是在單個(gè)書架或書柜中采用自動(dòng)化存取技術(shù)[5]；二是以圖書館整體為對象，采用桁架式的立體倉儲系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)圖書的自動(dòng)存取[6]；三是在移動(dòng)機(jī)器人精確定位的基礎(chǔ)上，通過專用的機(jī)械手實(shí)現(xiàn)圖書三維存取[7-9]。對于前兩種方案，由于圖書館后續(xù)規(guī)模升級時(shí)，需要更換的設(shè)備較多，因此成本很高，日常管理較為復(fù)雜。而第三種方案由于制造成本低、擴(kuò)展性和靈活性好[10]，已成為目前圖書館自動(dòng)存取、整理圖書采用的主流技術(shù)方案。本文設(shè)計(jì)了基于分布式結(jié)構(gòu)的圖書管理機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在無人干預(yù)的情況下，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的巡線定位、超聲波避障、圖書的取放和整理工作，具有效率高、體積小巧、實(shí)用等特點(diǎn)，在圖書館的日常管理中有很大的應(yīng)用空間。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

圖書機(jī)器人系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)采用分布式結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)由四層模型結(jié)構(gòu)組成，分別是操作層、控制層、設(shè)備層和現(xiàn)場層。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D Fig.1 The topology of overall system structure

操作層是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，能夠進(jìn)行人機(jī)交互。讀者可以通過計(jì)算機(jī)選書界面進(jìn)行圖書的選取。操作層和控制層通過網(wǎng)口進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)各設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)共享，經(jīng)PLC控制器處理后發(fā)送指令給各模塊，使各模塊協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。設(shè)備層通過總線，對現(xiàn)場層各節(jié)點(diǎn)采集的信息進(jìn)行處理，并把數(shù)據(jù)反饋給PLC；設(shè)備層由各節(jié)點(diǎn)分布式的I/O模塊和現(xiàn)場控制器構(gòu)成?，F(xiàn)場層由現(xiàn)場傳感器、機(jī)器人循跡運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)械臂構(gòu)成?，F(xiàn)場傳感器實(shí)時(shí)采集信息，并反饋給PLC。機(jī)器人先通過灰度傳感器進(jìn)行局部書框定位，然后通過械臂進(jìn)行圖書位置的精確定位，最后完成取、放書的動(dòng)作。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)整體功能要求，為了實(shí)現(xiàn)圖書機(jī)器人循跡移動(dòng)、精確定位和自主取/還書等過程，本設(shè)計(jì)采用循跡移動(dòng)底盤承載三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂的組合模式。這種結(jié)構(gòu)使機(jī)械臂具有較大的工作空間和高度的運(yùn)動(dòng)冗余性，優(yōu)于傳統(tǒng)整體桁架式的立體倉儲機(jī)械結(jié)構(gòu)。圖書機(jī)器人整體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 整體機(jī)械結(jié)構(gòu)圖 Fig.2 Overall mechanical structure

循跡移動(dòng)底盤整體采用6160鋁合金型材，以4個(gè)大功率直流電機(jī)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)；移動(dòng)輪子采用齒形輪轂外加防滑橡膠輪胎的組合方式，可確保機(jī)器人底盤具有足夠的動(dòng)力輸出和較大的防滑摩擦力。底盤前后兩端裝有超聲波傳感器，底部裝有灰度循跡傳感器，可實(shí)現(xiàn)底盤移動(dòng)過程中的避障和自主循跡定位。三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂中的X軸、Y軸和Z軸，用來實(shí)現(xiàn)圖書位置的精確定位。三軸都使用42BYG步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，采用同步帶、螺母滾珠絲杠副傳動(dòng)和直線導(dǎo)軌作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。X軸和Y軸的有效行程為300 mm，Z軸的有效行程為500 mm，并具有斷電情況下的自鎖功能。各運(yùn)動(dòng)軸都設(shè)有零點(diǎn)和正負(fù)限位，對系統(tǒng)起到保護(hù)作用。三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂中的圖書夾取裝置采用鋁合金材料，利用平行四邊形機(jī)構(gòu)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過外加齒輪傳動(dòng)，能夠?qū)⒍鏅C(jī)轉(zhuǎn)過的角度轉(zhuǎn)換成卡爪的張開和閉合，從而實(shí)現(xiàn)對圖書的夾緊和放松。該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)采用氣動(dòng)卡爪的模式相比，無需氣源和拖線，結(jié)構(gòu)更緊湊、靈活性更好；通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，增強(qiáng)了夾緊力。通過加工和組裝調(diào)試后，經(jīng)實(shí)際測試表明，系統(tǒng)能夠滿足功能要求。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件控制電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用PLC和ATMEGA單片機(jī)作為主控單元。機(jī)器人循跡移動(dòng)底盤采用ATmega328單片機(jī)，三軸運(yùn)動(dòng)夾取機(jī)械臂采用ATmega2560單片機(jī)。外圍電路可以實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換、接口通信、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、傳感信號測量和開關(guān)量控制。主控芯片ATmega328單片機(jī)是一款高性能、低功耗的AVR(R)8位微控制器，擁有32個(gè)8位通用工作寄存器、2個(gè)8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、6個(gè)脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)通道，可以滿足多種功能模式的控制要求。電源轉(zhuǎn)換模塊采用TPS54331芯片和電阻、電容濾波，用于將24 V的電壓轉(zhuǎn)換成5 V和6～12 V直流電壓，為單片機(jī)模塊和驅(qū)動(dòng)器公共端供電。接口模塊采用CH340GISP芯片，使用互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商(internet service provider,ISP)的下載接口。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用TB6612FNG驅(qū)動(dòng)器件。該器件的優(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支持頻率高達(dá)100 kHz，脈寬平滑調(diào)速；可實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)和停止這4種電機(jī)控制模式。在實(shí)際控制過程中，要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的巡線定位、超聲波避障和圖書的自動(dòng)取、還功能，需建立主控板與現(xiàn)場層傳感器、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和I/O設(shè)備之間的正確連接，以實(shí)現(xiàn)控制指令和數(shù)據(jù)的通信傳輸。整個(gè)系統(tǒng)的硬件控制接線示意圖如圖3所示。

圖3 硬件控制接線示意圖 Fig.3 Schematic diagram of wirings of hardware control

圖3(a)中：1號、2號接口為機(jī)器人底盤的輸出端口。1號接口為高位，2號接口為低位，共同組成4個(gè)二進(jìn)制信號(00、01、10和11)。將6號接口作為底盤主控板的輸入端口，并分別將插頭1和插頭2作為2位二進(jìn)制的信號接口。其中，插頭1表示信號的高位，插頭2表示信號的低位。M1、M2接口分別接底盤左側(cè)的2個(gè)直流電機(jī)和右側(cè)的2個(gè)直流電機(jī)。3號、4號接口分別接底盤正前方的巡線模塊和底盤右側(cè)的數(shù)點(diǎn)定位算法用的巡線模塊。7號、8號接口分別接底盤前方的超聲波模塊和底盤后方的超聲波模塊。

圖3(b)中：1號、2號、3號接口分別接圖書夾取機(jī)械臂X軸、Y軸、Z軸的3個(gè)電機(jī)；6號、7號接口為圖書夾取機(jī)械臂的主控板輸入端口；4號接口作為圖書夾取機(jī)械臂主控板的輸出端口，分別將插頭1和插頭2作為2位二進(jìn)制的信號接口。其中，插頭1表示信號的高位，插頭2表示信號的低位。9號接口為卡爪舵機(jī)端口，10號接口為限位開關(guān)。

3.2 控制軟件及界面

根據(jù)圖書機(jī)器人取/還書過程特點(diǎn)和硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，控制軟件系統(tǒng)主要由PLC總體控制程序、循跡移動(dòng)底盤控制程序和圖書夾取機(jī)械臂控制程序三部分組成。PLC采用循環(huán)掃描機(jī)制工作，在每個(gè)掃描周期都要完成自檢、I/O更新、數(shù)據(jù)通信等操作。機(jī)器人開機(jī)后處于初始狀態(tài)。當(dāng)PLC給機(jī)器人發(fā)出對應(yīng)書架信號時(shí)，機(jī)器人首先進(jìn)行位置判斷。到達(dá)指定位置后，向PLC發(fā)出到位信號，圖書夾取機(jī)械手開始執(zhí)行取書或者還書動(dòng)作，機(jī)械手動(dòng)作完成后輸出一個(gè)動(dòng)作完成信號。機(jī)器人循跡移動(dòng)底盤控板接收到機(jī)械手動(dòng)作完成的信號后，機(jī)器人返回初始點(diǎn)，取書或者還書過程完成，機(jī)器人自動(dòng)執(zhí)行下一次信號發(fā)出的程序。機(jī)器人PLC控制程序流程如圖4所示。

圖4 PLC控制程序流程圖 Fig.4 The flowchart of PLC control program

機(jī)器人循跡移動(dòng)底盤控制過程中，當(dāng)主控板檢測6號接口的輸入信號，并接收到來自PLC的圖書位置信號后，運(yùn)算得出書架位置。然后，檢測超聲波傳感器前是否有障礙物。如果有障礙物，機(jī)器人循跡移動(dòng)底盤停止前進(jìn)；如果沒有障礙物，則機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)軌跡偏離預(yù)定的軌跡時(shí)，機(jī)器人會根據(jù)底盤前面的巡線模塊回傳的數(shù)據(jù)，及時(shí)修正行駛路線。當(dāng)達(dá)到圖書所在書架位置后，位于機(jī)器人右側(cè)的傳感器會及時(shí)傳輸返回信號，機(jī)器人退出巡線避障模式，停止運(yùn)行。

圖書夾取機(jī)械臂控制程序流程圖如圖5所示。首先，主控板接收到PLC的取/還書信號，夾取機(jī)械臂平臺等待接收到PLC的圖書位置信號。然后，夾取機(jī)械臂的X軸、Y軸和Z軸執(zhí)行復(fù)位程序；X軸、Y軸和Z軸分別動(dòng)作到位后，夾取機(jī)械臂卡爪的MG995舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；卡爪完成動(dòng)作后，等待PLC發(fā)出松手信號?？ㄗλ砷_后，整個(gè)夾取機(jī)械臂控制程序結(jié)束。

圖5 機(jī)械臂控制流程圖 Fig.5 The control flowchart of the manipulator

為了實(shí)現(xiàn)取/還書的人機(jī)交互和圖書信息的存儲管理，在visu+軟件平臺上開發(fā)了智能圖書機(jī)器人，即人機(jī)交互取/還書系統(tǒng)。通過與PLC通信模塊的通信，完成了過程數(shù)據(jù)的監(jiān)控、記錄查詢、報(bào)警信息查詢和參數(shù)設(shè)置。人機(jī)界面按功能劃分為取/還書控制區(qū)和運(yùn)行監(jiān)控區(qū)，并由實(shí)體化的圖標(biāo)與按鈕來組態(tài)，使圖書管理人員更容易理解與操作。在取/還書控制區(qū)，操作者可以通過組態(tài)按鈕，選擇要借閱和歸還的圖書名稱；后臺的數(shù)據(jù)庫會將圖書的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給PLC；PLC通過協(xié)調(diào)控制循跡移動(dòng)底盤和圖書夾取機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)圖書的取或還。運(yùn)行監(jiān)控區(qū)實(shí)時(shí)采集循跡移動(dòng)底盤和圖書夾取機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡信息，并通過數(shù)據(jù)仿真圖書機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程。

4 試驗(yàn)測試

為了驗(yàn)證所開發(fā)系統(tǒng)的可行性，本文通過visu+開發(fā)人機(jī)交互取/還書界面，分別選擇兩本需要借閱和歸還的圖書信息。圖書機(jī)器人根據(jù)圖書的數(shù)據(jù)信息，利用PLC發(fā)出圖書位置信號。主控單片機(jī)板接收到PLC信號后，驅(qū)動(dòng)移動(dòng)底盤利用巡線模塊識別地上的黑條來巡線移動(dòng)和數(shù)點(diǎn)定位，并到達(dá)圖書所在書架位置。圖書夾取三軸機(jī)械臂復(fù)位后開始進(jìn)行取/還書動(dòng)作，依據(jù)PLC得到的圖書信息計(jì)算出圖書的精確位置。舵機(jī)驅(qū)動(dòng)卡爪能夠準(zhǔn)確完成圖書的夾取和松開，并返回初始狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果證明，所開發(fā)的系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于分布式結(jié)構(gòu)的圖書整理機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用PLC和單片機(jī)作為主控單元，利用超聲波和灰度循跡傳感器，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)避障和巡線定位；通過人機(jī)交互取/還書界面，選取不同的圖書，在PLC和單片機(jī)的協(xié)調(diào)控制下，能夠準(zhǔn)確完成圖書的自動(dòng)借閱和歸還。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了開發(fā)系統(tǒng)的可行性和正確性。但該系統(tǒng)還存在一定的不足，需要進(jìn)一步完善、升級。今后，可以擴(kuò)展其自動(dòng)充電、語音交互、機(jī)器視覺和RFID識別功能，使之更加信息化和智能化，為后續(xù)推廣應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

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