曹 畋（南京曉莊學(xué)院圖書館）

機(jī)器人館員屬于專業(yè)領(lǐng)域服務(wù)機(jī)器人，與傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人相比，服務(wù)機(jī)器人更貼近人們的日常生活。圖書館作為文化服務(wù)的窗口單位，對(duì)機(jī)器人館員進(jìn)行研究與建設(shè)，會(huì)為提升圖書館的服務(wù)質(zhì)量、降低人力成本、推動(dòng)圖書館轉(zhuǎn)型帶來深刻影響。［1］研究專業(yè)領(lǐng)域的服務(wù)機(jī)器人是服務(wù)機(jī)器人發(fā)展的重要組成部分，專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)服務(wù)機(jī)器人的研究對(duì)提升服務(wù)機(jī)器人行業(yè)甚至國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力有著重要的促進(jìn)作用。［2］

1 “小陶”開發(fā)背景及設(shè)計(jì)思路

1.1 開發(fā)背景和需求

南京曉莊學(xué)院圖書館（以下簡(jiǎn)稱“我館”）前身是陶行知先生于1927年創(chuàng)辦曉莊試驗(yàn)鄉(xiāng)村師范時(shí)設(shè)立的圖書館，當(dāng)時(shí)名為“書呆子莫來館”，之所以起這樣奇怪的名字，是因?yàn)樘招兄壬吷岢珜?shí)踐學(xué)習(xí)、勇于創(chuàng)新的教育理念。為了紀(jì)念和弘揚(yáng)陶行知先生實(shí)踐至上的精神，我館將研發(fā)的第一臺(tái)機(jī)器人館員命名為“小陶”。為了研究開發(fā)“小陶”，我館特邀館內(nèi)技術(shù)部老師、一線館員以及南京曉莊學(xué)院機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的老師組成了專業(yè)研究團(tuán)隊(duì)：技術(shù)部門提供前端技術(shù)及知識(shí)庫的支持、一線館員提供需求與相關(guān)常見問題的處理經(jīng)驗(yàn)、機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室提供加工及運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的支持。

通過多方調(diào)研，我館最終確定開發(fā)高150cm、重30kg的“小陶”圖博機(jī)器人1.0版本，要求該圖博機(jī)器人具備如下功能：① 自主定位和自主移動(dòng)能力，移動(dòng)速度約0.25m/s；② 具備引導(dǎo)、移動(dòng)手臂等運(yùn)動(dòng)條件，同時(shí)需保障人機(jī)交互過程的安全性；③ 能夠在室內(nèi)各種材質(zhì)的平整地面自由行動(dòng)，且不可造成地毯磨損；④ 可以完成自主巡航和遙控指揮兩種運(yùn)動(dòng)模式。

1.2 開發(fā)流程和思路

通過借鑒世界上現(xiàn)有服務(wù)機(jī)器人的控制結(jié)構(gòu)和原理，輔以參考目前國(guó)內(nèi)圖書館、博物館的應(yīng)用環(huán)境及應(yīng)用條件，我館對(duì)“小陶”提出了初步的性能需求，并在技術(shù)實(shí)施條件許可的范圍內(nèi)建立機(jī)器人基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。方案充分體現(xiàn)了圖書館、博物館的機(jī)器人館員的實(shí)際性能和功能需求，主要包括：機(jī)器人館員傳感器選擇和設(shè)計(jì)、機(jī)器人館員運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)方案、機(jī)器人館員語言對(duì)話方案等。為了更好地說明本次“小陶”的開發(fā)流程和思路圖，圖1將開發(fā)過程中的各個(gè)階段及各階段之間的關(guān)系進(jìn)行了展現(xiàn)。

圖1 機(jī)器人館員“小陶”開發(fā)流程和思路

2 “小陶”實(shí)現(xiàn)的相關(guān)技術(shù)

（1）智能控制技術(shù)。智能控制技術(shù)主要包括：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、模糊控制等一系列高新技術(shù)。其中，模糊控制包含變量定義、知識(shí)庫、模糊化、多級(jí)判斷及反模糊化五個(gè)主要方面，是機(jī)器人館員開發(fā)中難度最大的技術(shù)部分。

（2）傳感器與信號(hào)處理。機(jī)器人館員在工作時(shí)依靠傳感器獲取和識(shí)別周圍的環(huán)境，一般來說需要獲取的內(nèi)容越多，所需要的傳感器也越多。目前常用的傳感器有光傳感器、聲傳感器、力傳感器、距離傳感器等。

（3）自主導(dǎo)航與定位是機(jī)器人館員研究的核心問題之一，也是機(jī)器人館員研究的難點(diǎn)。目前，其他領(lǐng)域的服務(wù)機(jī)器人已經(jīng)開始研究采用傳感器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)共同完成機(jī)器人的自主定位和導(dǎo)航的技術(shù)。［3］為了直觀地說明機(jī)器人館員導(dǎo)航定位系統(tǒng)，筆者繪制了機(jī)器人館員導(dǎo)航定位系統(tǒng)圖（見圖2）。

（4）路徑規(guī)劃技術(shù)。機(jī)器人館員需要在工作空間中找到一條從起始位置到目標(biāo)位置的路徑，并且該路徑能有效地避開所有障礙物。目前采用的路徑規(guī)劃技術(shù)可分為智能和非智能兩種：非智能的路徑規(guī)劃辦法有自由空間法、柵格解耦法、人工勢(shì)場(chǎng)法等；智能路徑規(guī)劃辦法有模糊邏輯、遺傳算法、Q學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等基于人工智能的技術(shù)方案。［4］

圖2 機(jī)器人館員導(dǎo)航定位系統(tǒng)

（5）人機(jī)交互技術(shù)。目前常用的人機(jī)交互技術(shù)包括：文字識(shí)別、語音合成與識(shí)別、圖像識(shí)別與處理、機(jī)器翻譯等。通過人機(jī)交互，用戶不但可以隨時(shí)改變機(jī)器人的狀態(tài)而且可以進(jìn)行信息交互。

2.1 傳感器的選擇

“小陶”機(jī)器人館員需要具備自主移動(dòng)和避障功能。機(jī)器人館員擬采用8個(gè)避障傳感模塊和12個(gè)光電傳感模塊，用于“小陶”對(duì)地面或物體表面的灰度檢查，同時(shí)，配合激光傳感器和圖像傳感器對(duì)地面和障礙物進(jìn)行檢測(cè)。傳感器的放置是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。比如：當(dāng)單位面積傳感器放置得過多時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)多個(gè)傳感器同時(shí)發(fā)現(xiàn)一個(gè)障礙物的情況，產(chǎn)生大量的干擾數(shù)據(jù)，增加數(shù)據(jù)處理難度；當(dāng)單位面積上傳感器過少時(shí)，就會(huì)造成障礙物漏檢測(cè)的情況。為解決這一問題，在對(duì)“小陶”進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)將8個(gè)避障傳感模塊和12個(gè)光電傳感模塊均勻地放置在底盤圓周的邊緣處，同時(shí)將激光傳感器和圖像傳感器放置在較高的位置，以此保證“小陶”在行動(dòng)中能夠避開高低不同的障礙物。

“小陶”的自主巡線功能采用最新的3D機(jī)器人視覺來實(shí)現(xiàn)，即通過兩個(gè)高速圖像傳感器把經(jīng)過圖像處理的3D環(huán)境信息傳輸給“小陶”。而高速攝像頭由于處理過程比較復(fù)雜，攝影處理速度相對(duì)較慢，所以在具體使用過程中，黑白路線由僅能夠識(shí)別黑色和白色的激光傳感器和紅外線傳感器處理，復(fù)雜位置環(huán)境的識(shí)別由高速攝影頭處理，以保證“小陶”自主巡線功能具有較高的效率。

2.2 主控芯片選擇

根據(jù)預(yù)算和實(shí)際需求情況，研究團(tuán)隊(duì)為“小陶”選擇了機(jī)器人自體控制與信息處理模塊MH-Cel001。該芯片屬于8位系列單片機(jī)中配置較好的一款，工作時(shí)間平路為16MHZ，有80個(gè)可編程I/0口，有8個(gè)8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，且具有獨(dú)立的預(yù)分頻和比較器功能；有兩路8位PWM、6路16位PWM、13個(gè)通信接口。開始的時(shí)候考慮過ATMEL公司AVR系列的ATMEGA128，但由于其無法同時(shí)處理二十個(gè)以上的脈沖信號(hào)而放棄。

2.3 總線實(shí)現(xiàn)

目前，服務(wù)機(jī)器人的常用總線包括RS-232、RS-422、RS-485、CAN等。① RS-232總線是由電子工業(yè)協(xié)會(huì) （Electronic Industries Association，EIA） 制定的，其通信模式為一對(duì)一，抗干擾能力較差，最遠(yuǎn)距離為 15m，最高速率為 20Kbps。② RS-422是由RS-232發(fā)展升級(jí)而來的，傳送距離提升到了1200m，傳送速率達(dá)到10MB/s，可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的單方向傳輸。③ RS-485是一種串行總線，最高傳送速率為10MB/s，最多可以安裝128個(gè)收發(fā)器。但由于沒有數(shù)據(jù)鏈路層而無法識(shí)別數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，易導(dǎo)致一個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)問題則可能整個(gè)總線導(dǎo)致崩潰的惡劣情況。④ CAN是由ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出的一種串行總線協(xié)議，最遠(yuǎn)傳送距離高達(dá)10km，總線節(jié)點(diǎn)多達(dá)110個(gè)，具有很好的數(shù)據(jù)效驗(yàn)機(jī)制，數(shù)據(jù)通信非?？煽俊Ｍㄟ^以上對(duì)常用總線在速率、開發(fā)周期、容錯(cuò)機(jī)制、傳送距離、通信機(jī)制等方面的比較，研究團(tuán)隊(duì)最終選擇了性能突出、安全可靠的CAN作為“小陶”的總線，并且選用了廣州致遠(yuǎn)股份有限公司生產(chǎn)的CANalyst-Ⅱ分析儀+應(yīng)用協(xié)議分析工具作為CAN總線分析儀，該產(chǎn)品支持兩路CAN接口及USB 2.0接口，具備CAN總線協(xié)議分析功能。［5］

2.4 總控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

機(jī)器人館員的主要功能是在圖書館、博物館等的入口處迎賓，向進(jìn)館用戶介紹使用規(guī)則、館藏資源、特色服務(wù)、注意事項(xiàng)等內(nèi)容，所以軟件設(shè)計(jì)上不僅需要機(jī)器人館員能夠?qū)崿F(xiàn)引導(dǎo)來賓、與人交流、自主行走、發(fā)現(xiàn)和避讓障礙等功能，還應(yīng)具有安全可靠、容易操作、容易調(diào)試的特性。為此，研究團(tuán)隊(duì)選擇微軟提供的Virual C#6.0作為“小陶”的軟件開發(fā)環(huán)境，控制芯片為MH-Ce1001芯片。機(jī)器人館員的控制流程見圖3。

圖3 “小陶”的控制流程

其中，接收存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析與運(yùn)算、機(jī)器人行為部分對(duì)應(yīng)的是“小陶”的主機(jī)部分。機(jī)器人軟件可以分為三大部分，分別是機(jī)器人底盤移動(dòng)控制程序、主機(jī)軟件、其他運(yùn)動(dòng)控制程序；主機(jī)軟件按照功能分為三個(gè)部分：語音識(shí)別與合成部分、自動(dòng)移動(dòng)與遙控移動(dòng)功能、其他動(dòng)作控制部分；機(jī)器人底盤移動(dòng)控制程序包括：傳感器數(shù)據(jù)處理程序、自動(dòng)巡線避障程序、電機(jī)控制程序、中斷控制程序，數(shù)據(jù)傳輸控制程序。由于目前“小陶”的研發(fā)經(jīng)費(fèi)沒有全部到位，所以其動(dòng)作控制部分還未完全開發(fā)，但已做出預(yù)留方案?！靶√铡钡能浖傮w結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 “小陶”的軟件總體結(jié)構(gòu)

2.5 電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)

對(duì)于“小陶”的移動(dòng)功能，研究團(tuán)隊(duì)采用了萬向輪設(shè)計(jì)，輪子半徑約16mm。在應(yīng)用環(huán)境理想狀態(tài)下，假設(shè)“小陶”的中心在底盤中心上，筆者繪制出了“小陶”的運(yùn)動(dòng)學(xué)示意圖（見圖5）。

圖5 “小陶”的運(yùn)動(dòng)學(xué)示意圖

在坐標(biāo)系XOY中，令人的坐標(biāo)系為X’O’Y’，則在任意時(shí)刻t，“小陶”在坐標(biāo)系中的位置為Q=（x，y，θ）T，θ表示某時(shí)刻軸X’與軸X的夾角，為“小陶”的角速度（逆時(shí)針為正），x、y代表“小陶”的中心位置?！靶√铡备鬏喌木€速度為V=（v1v2v3v4）T。

當(dāng)“小陶”平動(dòng)時(shí)，軸X’與軸X的夾角為0，v1=-v3，v2=-v4；旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，四個(gè)輪以相同方向、相同速度驅(qū)動(dòng)。［6］由此可以得出，“小陶”底板運(yùn)動(dòng)的基本函數(shù)。

“小陶”向前走的函數(shù)為

Forward

{MoveContr1 （1，move，1）；

MoveContr2 （1，move，1）；

MoveContr3 （1，move，0）；

MoveContr4 （1，move，0）；}

“小陶”后退的函數(shù)為

Backword

{MoveContr1 （1，move，0）；

MoveContr2 （1，move，0）；

MoveContr3 （1，move，1）；

MoveContr4 （1，move，1）；}

“小陶”向左的函數(shù)為

Left

{MoveContr1 （1，move，0）；

MoveContr2 （1，move，1）；

MoveContr3（1，move，1）；

MoveContr4（1，move，0）；}

“小陶”向右的函數(shù)為

Right

{MoveContr1（1，move，1）；

MoveContr2（1，move，0）；

MoveContr3（1，move，0）；

MoveContr4（1，move，1）；}

“小陶”旋轉(zhuǎn)的函數(shù)為

{MoveContr1（1，move，1）；

MoveContr2（1，move，1）；

MoveContr3（1，move，1）；

MoveContr4（1，move，1）；}

Anti-clockwise

{MoveContr1 （1，move，0）；

MoveContr2 （1，move，0）；

堅(jiān)持把培育和引進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才作為支撐綠色發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵舉措來抓，真正把人才作為創(chuàng)新發(fā)展的核心要素和破解發(fā)展難題的“金鑰匙”，以人才創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換。

MoveContr3 （1，move，0）；

MoveContr4 （1，move，0）；}

有了“小陶”底板運(yùn)動(dòng)的基本函數(shù)，很容易衍生出“小陶”左上45°、左下 45°、右上45°、右上45°的函數(shù)。有了這些函數(shù)的綜合應(yīng)用，就可以完成“小陶”在平面上的任何運(yùn)動(dòng)控制了。

“小陶”左下45°走的函數(shù)為

{MoveContr1 （0，move，1）；

MoveContr2 （1，move，1）；

MoveContr3（0，move，1）；

MoveContr4（1，move，0）；}

“小陶”左上45度走的函數(shù)為

{MoveContr1（1，move，0）；

MoveContr2（0，move，1）；

MoveContr3 （1，move，1）；

MoveContr4 （0，move，1）；}

“小陶”右上45度走的函數(shù)為

{MoveContr1 （1，move，1）；

MoveContr2 （0，move，1）；

MoveContr3 （1，move，0）；

MoveContr4 （0，move，1）；}

“小陶”右下45度走的函數(shù)為

{MoveContr1 （0，move，1）；

MoveContr2 （1，move，0）；

MoveContr3 （0，move，1）；

MoveContr4（1，move，1）；}

2.6 智能應(yīng)答實(shí)現(xiàn)

在設(shè)計(jì)構(gòu)想中，“小陶”具備與人交流的功能，然而完全自行開發(fā)語言系統(tǒng)是一項(xiàng)難度巨大的工程。研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃采用科大訊飛的語音識(shí)別系統(tǒng)，目前科大訊飛公司公開提供語音合成系統(tǒng)InterPhonic和語音識(shí)別系統(tǒng)InterReco。InterPhonic 6.0能夠朗讀指定文本中的文字內(nèi)容、導(dǎo)出朗讀的語音文件；InterReco 5.0能為自助語音服務(wù)提供呼叫導(dǎo)航功能和關(guān)鍵字語音識(shí)別，［7］該系統(tǒng)的識(shí)別率處于行業(yè)領(lǐng)先，且提供全面的開放支持。InterPhonic 6.0幾乎可以滿足所有中國(guó)方言的識(shí)別和輸入，甚至可以完成中英文的混合輸入，且InterPhonic 6.0支持的對(duì)接口也非常多，常用的SAPI接口、COM接口都在其支持范圍內(nèi)。

“小陶”在應(yīng)答知識(shí)庫的提取上采用了歐氏距離相似度距離度量算法，這種算法相對(duì)于常用的余玄相似度算法而言，具有更高的維度和準(zhǔn)確度。如果將余玄相似度算法看成平面上兩條線段的夾角，那么歐氏距離相似度距離度量算法所表現(xiàn)的則是三維空間中兩個(gè)點(diǎn)的空間距離。

3 總結(jié)

目前，雖然本館開發(fā)的“小陶”1.0版本已經(jīng)基本完成，但對(duì)于“小陶”的研發(fā)和建設(shè)并沒有結(jié)束?？傮w來說，自行開發(fā)服務(wù)機(jī)器人雖然前期投入較直接購(gòu)買成品略顯高昂，但后期更容易根據(jù)自身的需求來調(diào)整和改進(jìn)。對(duì)于還沒有固定服務(wù)模式的新興圖書館機(jī)器人館員來說，這樣的建設(shè)模式不但促進(jìn)了高校學(xué)科建設(shè)，而且為圖書館智慧機(jī)器人的服務(wù)建設(shè)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。