徐彬 溫秀蘭 黃濤 陳一心

摘? 要：文章設(shè)計(jì)一種圖書(shū)識(shí)別整理機(jī)器人，該機(jī)器人利用CCD進(jìn)行循跡移動(dòng)來(lái)進(jìn)行路徑規(guī)劃，使用RFID技術(shù)識(shí)別圖書(shū)電子標(biāo)簽，獲取圖書(shū)相關(guān)信息，采用多聯(lián)動(dòng)舵機(jī)組成機(jī)械臂對(duì)書(shū)籍進(jìn)行抓取，實(shí)現(xiàn)圖書(shū)的取放與整理，并利用圖像回傳實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行。該機(jī)器人能夠識(shí)別圖書(shū)信息并判斷圖書(shū)存放位置，將圖書(shū)歸還書(shū)架，減少管理人員的工作量，提高圖書(shū)整理的工作效率，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：CCD;RFID;機(jī)器人;圖書(shū)整理

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）10-0045-03

Abstract： This paper designs a book recognition and sorting robot. It uses CCD to track the path and RFID technology to identify the electronic label of the book and obtain the related book's information. The mechanical arm consists of multi-linking steering gear to capture the book and finish the pick-and-place and arrangement of books. The image is real-time monitored to ensure the robot stable operation. The robot can identify the book information and achieve the storage location of the book， and return the book to the bookshelf. Therefore， it can reduce the workload of the management staff， improve the efficiency of the sorting of books and has a broad application space.

Keywords： CCD; RFID; robot; book sorting out

1 概述

隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，現(xiàn)代圖書(shū)館規(guī)模、館藏書(shū)籍?dāng)?shù)量都大大增加，而目前圖書(shū)館書(shū)籍整理工作還大多由人工來(lái)完成，工作效率低，錯(cuò)放圖書(shū)的情況也時(shí)有發(fā)生，不利于讀者繼續(xù)借閱。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等眾多先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，采用智能化的圖書(shū)整理也必將是未來(lái)智能圖書(shū)館建設(shè)的重要發(fā)展趨勢(shì)。實(shí)現(xiàn)書(shū)籍整理的自動(dòng)化，能夠減少圖書(shū)館工作人員的工作量，提高工作效率及降低錯(cuò)誤率。

目前，國(guó)內(nèi)已有關(guān)于圖書(shū)館機(jī)器人相關(guān)的理論與實(shí)踐研究。在開(kāi)始的初探中，主要研究功能單一的圖書(shū)館管理機(jī)器人，但隨著眾多先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)智能機(jī)器人在圖書(shū)館方面的應(yīng)用和技術(shù)研究也逐步興起。在結(jié)構(gòu)方面已出現(xiàn)多種形式，主要有基于分布式的圖書(shū)整理機(jī)器人系統(tǒng)[1]和基于主從式的智能圖書(shū)整理機(jī)器人[2]。為滿(mǎn)足圖書(shū)館發(fā)展需求，有將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到智能圖書(shū)館的建設(shè)中[3]，也有對(duì)書(shū)籍抓取行為的機(jī)械結(jié)構(gòu)和算法程序做詳細(xì)具體的研究設(shè)計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用方面，現(xiàn)代圖書(shū)館機(jī)器人大多是咨詢(xún)服務(wù)類(lèi)的為主，主要有清華大學(xué)圖書(shū)館的智能聊天機(jī)器人“小圖”[4]、南京大學(xué)超高頻RFID智能圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人[5]。

本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人可以在無(wú)人干預(yù)的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)行人和物品的避讓以及對(duì)行駛路徑進(jìn)行最佳規(guī)劃，并通過(guò)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)圖書(shū)的拾取與放置。通過(guò)對(duì)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、圖書(shū)感應(yīng)識(shí)別和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了一種完全自主識(shí)別、運(yùn)輸以及放置圖書(shū)的圖書(shū)識(shí)別整理機(jī)器人的設(shè)計(jì)。在此過(guò)程中極大地解放勞動(dòng)力，提高圖書(shū)整理的準(zhǔn)確性，并且該機(jī)器人可以在圖書(shū)館閉館后自主完成工作，提高了圖書(shū)館圖書(shū)整理的工作效率，在未來(lái)的智能圖書(shū)館的建設(shè)中起著重要的作用。

2 整體方案設(shè)計(jì)

機(jī)器人功能結(jié)構(gòu)如圖1所示，該功能結(jié)構(gòu)由操作層、控制層和運(yùn)動(dòng)層三部分組成。操作層為上位機(jī)，完成圖書(shū)信息、機(jī)器人位置信息顯示和圖像監(jiān)測(cè)的功能。控制層包括樹(shù)莓派對(duì)寄存書(shū)架書(shū)籍間隙進(jìn)行圖像處理， RFID對(duì)圖書(shū)信息進(jìn)行識(shí)別;STM32通過(guò)CCD和紅外模塊的數(shù)據(jù)信息來(lái)控制電機(jī)和舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和機(jī)械臂的控制。樹(shù)莓派將采集到的圖書(shū)信息和機(jī)械手需要運(yùn)動(dòng)的距離信息通過(guò)通訊模塊發(fā)送至STM32，經(jīng)處理后，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的路徑規(guī)劃和機(jī)械臂的控制，同時(shí)將運(yùn)動(dòng)信息反饋到樹(shù)莓派，并傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行顯示。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示，由機(jī)械臂、升降平臺(tái)和運(yùn)動(dòng)模塊三部分組成。機(jī)械臂由多個(gè)舵機(jī)通過(guò)連接件將其連接成可以在四周范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)裝置，并在機(jī)械臂上安裝有RFID模塊，抓書(shū)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的機(jī)械爪對(duì)書(shū)籍進(jìn)行抓取。機(jī)械臂固定在升降平臺(tái)上，控制機(jī)械臂的上升和下降。運(yùn)動(dòng)模塊由四個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)器控制相應(yīng)的車(chē)輪構(gòu)成。這種機(jī)械設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)靈活、穩(wěn)定性和工作效率高的特點(diǎn)。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 圖書(shū)識(shí)別模塊

該模塊采用MFRC-522 RFID傳感器和Raspberry Pi v2攝像頭，實(shí)現(xiàn)圖書(shū)信息識(shí)別和處理的功能。MFRC-522放置在機(jī)械臂的前端，采用13.56MHz非接觸式通信，圖書(shū)信息處理采用ISO14443A協(xié)議，與主機(jī)之間采用SPI模式通信，能夠快速有效識(shí)別圖書(shū)信息并將數(shù)據(jù)傳輸至微處理器進(jìn)行處理。Raspberry Pi v2攝像頭安放在升降臺(tái)的下端，圖像處理采用Opencv，通過(guò)一系列圖像預(yù)處理進(jìn)行圖像平滑對(duì)圖書(shū)縫隙進(jìn)行檢測(cè)，再通過(guò)邊緣處理和直線(xiàn)檢測(cè)識(shí)別出書(shū)本之間的

空隙位置信息，通過(guò)圖像上圖書(shū)與機(jī)械臂的距離和寄存書(shū)架進(jìn)行類(lèi)比，精確控制圖書(shū)與機(jī)械臂之間的距離，保證圖書(shū)的準(zhǔn)確抓取。

4.2 運(yùn)動(dòng)控制模塊

運(yùn)動(dòng)控制模塊由路徑檢測(cè)引導(dǎo)和運(yùn)動(dòng)控制構(gòu)成，路徑檢測(cè)引導(dǎo)通過(guò)CCD對(duì)地面上的白色引線(xiàn)進(jìn)行識(shí)別和紅外傳感器對(duì)路口實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)完成機(jī)器人的精確定位。運(yùn)動(dòng)控制由四個(gè)直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)四個(gè)車(chē)輪構(gòu)成，通過(guò)陀螺儀對(duì)方向?qū)崟r(shí)檢測(cè)，通過(guò)編碼器實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度的精準(zhǔn)控制。

5 控制軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人軟件控制流程如圖3所示。通過(guò)樹(shù)莓派的大數(shù)據(jù)處理能力，將圖像上傳和圖像識(shí)別技術(shù)融為一體，通過(guò)在樹(shù)莓派上建立的書(shū)籍?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)并利用RFID對(duì)圖書(shū)進(jìn)行識(shí)別判斷，并將數(shù)據(jù)信息傳遞至STM32微處理器，其利用CCD攝像頭對(duì)地下白色引線(xiàn)進(jìn)行識(shí)別以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的路徑引導(dǎo)和規(guī)劃，使用的CCD攝像頭時(shí)序?yàn)?ms。通過(guò)程序設(shè)定的變量i對(duì)路口的數(shù)量信息進(jìn)行累加，由此判斷書(shū)籍應(yīng)存放的具體書(shū)架，完成書(shū)籍的整理工作。

機(jī)器人行駛的轉(zhuǎn)向控制是基于四輪驅(qū)動(dòng)輪式差數(shù)轉(zhuǎn)向原理設(shè)計(jì)，在機(jī)器人速度算法方面，使用了魯棒性很好的經(jīng)典PID控制算法，在此基礎(chǔ)上配合使用理論計(jì)算和實(shí)際參數(shù)補(bǔ)償?shù)姆椒?，使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定。在實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)由于場(chǎng)地摩擦力不同，左右二側(cè)電機(jī)性能的微弱差異以及驅(qū)動(dòng)電路運(yùn)行時(shí)電壓出現(xiàn)的微小偏差，結(jié)合實(shí)際情況在PID控制的基礎(chǔ)上給左側(cè)電機(jī)加以相應(yīng)的速度補(bǔ)償，其具體補(bǔ)償為pwm*pwm*8/300+pwm/100，其中pwm為電機(jī)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種能夠自主識(shí)別圖書(shū)信息并將圖書(shū)進(jìn)行整理的機(jī)器人。該機(jī)器人采用STM32和Raspberry Pi作為主控單元，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)避障及循線(xiàn)移動(dòng)，對(duì)圖書(shū)進(jìn)行抓取及識(shí)別圖書(shū)位置信息，并通過(guò)實(shí)時(shí)圖像檢測(cè)保證機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是，在沒(méi)有人為干預(yù)的情況下，機(jī)器人能夠自主地對(duì)所需整理的圖書(shū)進(jìn)行抓取、信息識(shí)別以及存放，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了設(shè)計(jì)方案的可行性與正確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]晁艷普.基于分布式結(jié)構(gòu)的圖書(shū)整理機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2018，39（03）：44-47.

[2]張振，張琪，王新，等.基于主從式結(jié)構(gòu)的智能圖書(shū)整理機(jī)器人的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2014，22（03）：120-123.

[3]王躍虎，劉彥慶.一種基于物聯(lián)網(wǎng)和機(jī)器人技術(shù)的智能圖書(shū)館[J].圖書(shū)館工作與研究，2012（03）：29-32.

[4]姚飛，張成昱，陳武.清華智能聊天機(jī)器人“小圖”的移動(dòng)應(yīng)用[J].現(xiàn)代圖書(shū)情報(bào)技術(shù)，2014（Z1）：120-126.

[5]沈奎林，邵波，陳力軍，等.基于超高頻RFID的圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].圖書(shū)館學(xué)研究，2016（07）：24-28.