謝超

(株洲長遠(yuǎn)智造股份有限公司，湖南 株洲 412000)

1 概述

圖書管理系統(tǒng)屬于流動管理系統(tǒng)，圖書的整理與盤點(diǎn)是十分重要的一步。圖書館中的書會被有需要的人進(jìn)行借閱瀏覽，若在館內(nèi)進(jìn)行翻閱則會存在讀者使用后歸還錯(cuò)書架的情況，若借出館外甚至還可能出現(xiàn)書籍受損或者丟失的意外，無論何種情況，圖書館內(nèi)的實(shí)際存書數(shù)目與館藏?cái)?shù)據(jù)對應(yīng)不上。這種情況的出現(xiàn)不僅影響圖書館的正常運(yùn)用以及管理，也會影響到讀者的使用體驗(yàn)。因此，定時(shí)并且快速清點(diǎn)館內(nèi)圖書是現(xiàn)階段圖書管理方面的一個(gè)亟需解決的問題。

智能圖書管理系統(tǒng)是智能和數(shù)字圖書館服務(wù)的全面集成。機(jī)器人技術(shù)為智能圖書館的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。機(jī)器人技術(shù)可以應(yīng)用于圖書館智能立體聲圖書館，書籍處理，小冊子，書籍自動訪問，書籍掃描，智能咨詢，遠(yuǎn)程閱讀，特殊人口服務(wù)等，實(shí)施圖書館管理情報(bào)和服務(wù)智能，從根本上提升圖書館管理和服務(wù)的效率和質(zhì)量。

2 主要方案

研究提出了一種全新的取書的方案, 并將研制出一種高效率、節(jié)省人工、錯(cuò)誤率低的全自動多功能圖書館取書機(jī)器人。機(jī)器人通過APP 界面從使用者處獲得相應(yīng)的書籍信息，然后與圖書館數(shù)據(jù)庫建立連接，結(jié)合RFID 技術(shù)獲得書籍的具體位置信息，采用麥克納姆輪以提高機(jī)器人運(yùn)動的靈活性，采用雷達(dá)實(shí)現(xiàn)無軌導(dǎo)航避障引導(dǎo)器人到達(dá)支架的位置，通過圖像識別判定書籍位置，結(jié)合步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動移動平臺使機(jī)械手小范圍的移動，進(jìn)一步確定書的位置，然后通過步進(jìn)電機(jī)結(jié)合插補(bǔ)算法精確控制實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的升降，利用機(jī)械手配合撥書手指完成取書。

3 關(guān)鍵技術(shù)

信息的完整讀取和精準(zhǔn)定位。通過射頻識別技術(shù)與機(jī)器人結(jié)合可以幫助機(jī)器人獲取更多的信息，實(shí)現(xiàn)自動化智能化，以解決由于金屬書架、信號干擾、書籍厚薄情況等因素導(dǎo)致的讀取書籍信息和準(zhǔn)確定位難的問題。

圖書的完好和穩(wěn)定取放。圖書館中各種類型的書籍厚薄情況不一，取書通過自適應(yīng)手爪，根據(jù)書籍厚薄情況調(diào)整參數(shù)，以保證書籍的完好和穩(wěn)定取放。

自主定位與無軌導(dǎo)航。對于機(jī)器人的運(yùn)動軌跡，為了使機(jī)器人能夠在館中完成清理圖書，清點(diǎn)圖書，尋找圖書的工作，采用激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主定位與無軌導(dǎo)航。

機(jī)器視覺與人工智能。通過深度學(xué)習(xí)對書籍進(jìn)行準(zhǔn)確識別；采用ocr 文字識別及語義分析實(shí)現(xiàn)特殊人群閱讀服務(wù)；利用分類器對使用者數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)APP 中書單推薦等功能。

機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)分為機(jī)械臂三軸移動平臺、底座運(yùn)動機(jī)構(gòu)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這三者均由電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動。底座運(yùn)動平臺包括安裝在平臺上的激光雷達(dá)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括攝像頭和結(jié)合了撥書手指的機(jī)械爪?？刂葡到y(tǒng)由STM32 與工控機(jī)構(gòu)成，通過攝像頭控制系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行交互。

4 方案實(shí)現(xiàn)

4.1 底座運(yùn)動平臺。針對圖書館緊湊的書架排列環(huán)境和取書需求，考慮到整個(gè)系統(tǒng)的平衡性和機(jī)動性，采用了麥克納姆輪作為驅(qū)動輪，相比于傳統(tǒng)的輪式機(jī)構(gòu)，可以基本實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑，能夠在圖書館狹小的館內(nèi)環(huán)境的靈活運(yùn)動。具有運(yùn)動平穩(wěn)、移動效率高和控制簡單的優(yōu)點(diǎn)。

麥克納姆輪是基于輪子中心輪的原理，并且成角度的外圍輪軸將車輪轉(zhuǎn)向力的一部分轉(zhuǎn)換為車輪方法。依賴于各個(gè)輪子的方向和速度，最終合成合成載體，從而確保該平臺可以在不改變其自己方向的情況下在最終協(xié)同載體的方向上自由地移動。

圖1 機(jī)器人實(shí)物照片

從滾輪速度到車輪速度的計(jì)算：

其中，uw表示輪子速度，u||表示沿輥?zhàn)臃较虻乃俣龋瑄x表示輪子軸心運(yùn)動速度X軸分量，uy表示輪子軸心運(yùn)動速度Y軸分量。

根據(jù)圖2 所示a 和b 的定義，有

圖2 麥克納姆輪運(yùn)動分解圖

其中，utx表示X軸運(yùn)動的速度，即左右方向，定義向右為正；uty表示Y軸運(yùn)動的速度，即前后方向，定義向前為正；a 和b 分別代表輪子與軸心的橫向距離與縱向距離。

圖3 麥克納姆輪實(shí)物圖

綜上，可根據(jù)底盤運(yùn)動狀態(tài)解算出四個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速：

其中，ω 表示Y軸自轉(zhuǎn)的角速度，定義逆時(shí)針為正；uω1、uω2、u ω3和uω4分別表示四個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速。

4.2 無軌導(dǎo)航。響應(yīng)于圖書館室內(nèi)環(huán)境，使用LS TOF 激光雷達(dá)，并且在空間位置的位置平面的點(diǎn)云信息在二維平面中實(shí)時(shí)產(chǎn)生360 度，利用SLAM算法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)建圖、定位和導(dǎo)航功能。在測距處理期間，脈沖調(diào)制激光透射紅外激光信號，該激光信號被照射到目標(biāo)對象，其由圖像采集處理系統(tǒng)由一組光學(xué)透鏡接收。在內(nèi)嵌信號處理模塊實(shí)時(shí)決定之后，從通信接口輸出目標(biāo)對象的距離值和雷達(dá)，以及相對方位角值。隨著機(jī)械旋轉(zhuǎn)模塊的驅(qū)動，其高頻磁芯測距模塊將旋轉(zhuǎn)時(shí)鐘，從而實(shí)現(xiàn)360 度的掃描周圍環(huán)境。

4.3 圖書信息的獲取。目前大多數(shù)圖書館內(nèi)使用的是圖書碼是一維條碼，這種一維條碼僅對圖書進(jìn)行標(biāo)識,并沒有包含多少信息,若運(yùn)用機(jī)器人進(jìn)行精準(zhǔn)管理，則需要獲取到更多的細(xì)節(jié)信息。并且，在掃描條碼的過程中，機(jī)器人勢必要進(jìn)行無障礙的直接掃描條形碼，不然信息存在誤差。RFID標(biāo)簽?zāi)軌蛟陂喿x器的功用范圍內(nèi)被讀取可以有效防止障礙物遮擋導(dǎo)致的識別難題,同時(shí)還能夠消釋上磁、消磁及磁條磁性弱化等問題。

基于以上情況，將采用圖像識別技術(shù)進(jìn)行書籍的識別工作，從而實(shí)現(xiàn)書籍快速準(zhǔn)確抓取。

4.4 三軸移動平臺。針對機(jī)器人取書的實(shí)際情況，通過實(shí)際分析，為了實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)自動跟蹤定位，將采用三軸移動平臺。三軸是在三維立體空間的環(huán)境下，通過長、寬、高即X軸、Y軸、Z軸三個(gè)軸對物體進(jìn)行控制和定位。針對三軸平臺精確定位和穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的需求，采用了直線差補(bǔ)算法配合三軸平臺進(jìn)行取書操作。三軸運(yùn)動平臺和線性插值算法的組合不僅可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，而且可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載的高速和精確定位。

4.5 圖像識別技術(shù)。因?yàn)閳D書館室內(nèi)書籍眾多，提出一種解決方案：采用攝像頭獲取圖書圖像，經(jīng)過圖像處理從書籍中識別出目標(biāo)書籍，獲取其位置信息，進(jìn)而完成取書。

首先通過使用安裝在橫軸上的攝像頭捕獲圖像信息。再通過圖像處理獲取尋找目標(biāo)書籍，機(jī)械爪移動到指定位置完成取書作業(yè)。圖4 為圖像采集流程，主要采用了Canny邊緣檢測邊緣信息，HSV顏色空間提取圖像書籍標(biāo)簽，霍夫變換提取書籍輪廓的方法。

圖4 圖像采集流程

通過三軸移動平臺上的攝像頭獲取圖像利用上述算法進(jìn)行處理。HSV顏色空間的模型對應(yīng)于圓柱坐標(biāo)系中的一個(gè)圓錐形子集。再對攝像頭捕捉圖像進(jìn)行霍夫變換。

圖5 工作場景圖

5 應(yīng)用前景

本圖書館機(jī)器人是針對大量密集型資料的精確、高效的查找機(jī)器人。目標(biāo)市場以公共圖書館、高校圖書館、社區(qū)圖書館等機(jī)構(gòu)為主。并與各類圖書館取得深度合作之后，可以各類圖書館為中心，打造一整套圖書館信息管理系統(tǒng)，將使用者納入其中，為使用者提供更加完善的服務(wù)。應(yīng)用范圍可分為兩類:一類是一定規(guī)模以上的公共、高校、社區(qū)圖書館;另一類是規(guī)模較小的縣級以下公共圖書館，中小學(xué)圖書館以及社區(qū)圖書館。根據(jù)使用者人群以及需要的不同，機(jī)器人會在型號大小、外觀和功能設(shè)計(jì)上有一些差別。