閆冰輝 李玉曉 周雄 郭朝輝 王訓(xùn) 夏鵬

（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000）

近年來(lái)，大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等飛速發(fā)展，推動(dòng)人工智能技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步，逐步從理論研究過(guò)渡到實(shí)際應(yīng)用。語(yǔ)音識(shí)別、圖像處理、大數(shù)據(jù)分析等人工智能技術(shù)都實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破，為后續(xù)在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮作用提供了技術(shù)保障[1]。圖書館作為人獲取知識(shí)的重要渠道，需要為人們提供各類信息、知識(shí)，因此需要收集規(guī)模龐大的各類書籍。而這些書籍的整理、歸檔需要花費(fèi)大量的人力，讀者想要查閱也要花費(fèi)一定的時(shí)間，影響了借書效率甚至讀者的閱讀體驗(yàn)。傳統(tǒng)圖書館的缺點(diǎn)是查閱不方便，在這背景下，基于人工智能技術(shù)的自助圖書館應(yīng)運(yùn)而生。本文運(yùn)用到的技術(shù)便是近些年在各大圖書館自助服務(wù)改革中引入的RFID 技術(shù)。RFID 技術(shù)是Radio Frequency Identification 的英文縮寫，即無(wú)線射頻識(shí)別，是一種通信技術(shù)，又稱電子標(biāo)簽，是一種通過(guò)無(wú)線射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別而非接觸式的技術(shù)[2]。RFID 技術(shù)的射頻信號(hào)可自動(dòng)識(shí)別和收集區(qū)域內(nèi)的信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人工自動(dòng)識(shí)別。目前，RFID 技術(shù)在圖書館領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)解決了圖書館的日常業(yè)務(wù)需求，包括圖書自助借還、圖書盤點(diǎn)、圖書定位和安全防盜等[3]。但由于這一技術(shù)的應(yīng)用尚未完全成熟，本文將對(duì)圖書自助借還的優(yōu)化展開(kāi)。

1 圖書的自助取還- 智能取還書機(jī)械手

以一自助圖書館服務(wù)機(jī)系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)主要由客戶服務(wù)操作終端，瀏覽書架，圖書館網(wǎng)絡(luò)終端，圖書信息瀏覽面部，輔助部件等組成?？蛻舴?wù)操作終端是自助圖書館服務(wù)機(jī)系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)自助借還書功能的實(shí)現(xiàn)，其功能通過(guò)取書機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)[4]?；谶@一背景下，我們對(duì)其中的核心部分——如何自助借還書進(jìn)行了取還書機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并根據(jù)它的功能將其命名為智能取還書機(jī)械手。

2 智能取還書機(jī)械手的結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，支架1 一方面作為整個(gè)機(jī)構(gòu)的支撐部分，另一方面又是機(jī)械手空間運(yùn)動(dòng)的豎直導(dǎo)軌，取還書部件通過(guò)在其上縱向運(yùn)動(dòng)來(lái)達(dá)到與圖書相平的豎直高度。取還書部件同時(shí)又安裝在由滾珠絲桿驅(qū)動(dòng)的水平滑軌上，并通過(guò)在水平導(dǎo)軌上橫向滑動(dòng)來(lái)找到與書縫相齊的最佳工作位置。為方便描述，將負(fù)責(zé)取下書架上圖書的機(jī)構(gòu)稱為取書機(jī)械手，而將負(fù)責(zé)把圖書放回原書架上的機(jī)構(gòu)稱為還書機(jī)械手。支架的頂部安裝有還書箱，負(fù)責(zé)盛裝等待放回書架的圖書，還書箱的箱體相對(duì)地面具有15°的傾斜度，工作時(shí)，書箱后部的電動(dòng)推桿推動(dòng)最下側(cè)的圖書，將書通過(guò)箱門推出，箱門外側(cè)有一組壓簧，通過(guò)壓簧和弧形箱門保證圖書垂直箱體底面被推進(jìn)柔性輸送帶。在還書箱和還書機(jī)械手之間的豎直空間內(nèi)有一條連接兩機(jī)構(gòu)的柔性輸送帶，負(fù)責(zé)將還書箱內(nèi)的圖書運(yùn)送至還書機(jī)械手上。還書機(jī)械手的正下方有一取書箱，負(fù)責(zé)接住取出的圖書。在取還書機(jī)械手上安裝有RFID 讀取模塊和opencv 攝像頭，用于識(shí)別圖書和確定圖書的位置，如圖2。

圖1 還書書箱側(cè)視圖

圖2 取還書整體結(jié)構(gòu)

2.1 取書機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)

如圖3，為了準(zhǔn)確地取下圖書，取書機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)來(lái)源于人手取書時(shí)的動(dòng)作的抽取與簡(jiǎn)化。取書機(jī)械手的上端有兩組電動(dòng)推桿，其中一組推桿驅(qū)動(dòng)平行四連桿，連桿的最前端伸出與一塊三角形橡膠撥片鉸接。

圖3 取書機(jī)構(gòu)

根據(jù)自由度計(jì)算公式：

其中，可活動(dòng)構(gòu)件n=3，平面低副PL=4，PH=0，可以計(jì)算出自平衡擔(dān)架的自由度為1。此時(shí)由電推桿提供動(dòng)力，可以使擔(dān)架具有確定的運(yùn)動(dòng)軌跡。

撥片的下方是一只張開(kāi)的小夾手。為了避免因取書機(jī)械手距離圖書太遠(yuǎn)導(dǎo)致無(wú)法接觸圖書，取書機(jī)械手的另一根電動(dòng)推桿被設(shè)計(jì)來(lái)推動(dòng)由19 號(hào)推桿連接的連桿及撥片向靠近書架方向運(yùn)動(dòng)來(lái)接近圖書。工作時(shí)，19 號(hào)推桿驅(qū)動(dòng)連桿，使撥片給圖書上部書角一個(gè)向下和向外的力，兩個(gè)力的合力使圖書以書脊繞底部書角向外旋轉(zhuǎn)，使圖書繞底部書角旋轉(zhuǎn)向外運(yùn)動(dòng)。圖書上部分露出書架，然后由小夾手夾持露出的書角將圖書抽出，待取書機(jī)械手運(yùn)動(dòng)至取書箱的上方，小夾手松開(kāi)，圖書落入取書箱內(nèi)。為了保證夾手可以?shī)A住露出的書角，可通過(guò)減小小夾手與撥片的豎直距離，且經(jīng)多次試驗(yàn)小夾手都能夾住露出的圖書，取書機(jī)械手的工作步驟：初始狀態(tài)：機(jī)械夾手閉合，一號(hào)氣缸收縮，二號(hào)推桿收縮；

步驟一：機(jī)械夾手張開(kāi)指定寬度。

步驟二：一號(hào)氣缸前伸，撥手向前平移。

步驟三：二號(hào)推桿推出同時(shí)伴隨著一號(hào)氣缸收縮，撥手將書撥出一角——需要視覺(jué)識(shí)別書本的位置。

步驟四：機(jī)械抓手夾緊書的一角——視覺(jué)檢測(cè)是否成功將書夾緊。

步驟五：整體機(jī)械結(jié)構(gòu)向后平移，將書本拉出書架。

步驟六：機(jī)械抓手張開(kāi)，釋放書本落入下方書箱。

2.2 還書機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)

如圖4，還書機(jī)械手同樣利用了人手還書時(shí)的動(dòng)作。還書機(jī)械手前端為兩塊相同的撐書板，撐書板由正反牙雙向絲桿驅(qū)動(dòng)，負(fù)責(zé)夾住等待歸還的圖書。在兩塊撐書板之間中部有一電動(dòng)推桿，負(fù)責(zé)推書。撐書板的正下方有一水平的承書板，負(fù)責(zé)接住柔性輸送帶里落下的圖書。機(jī)械手的后端是一根電動(dòng)推桿，推動(dòng)機(jī)械手向靠近書架方向運(yùn)動(dòng)，以保證還書時(shí)機(jī)械手能伸入書架內(nèi)。還書時(shí)，待歸還的圖書從還書箱內(nèi)通過(guò)柔性輸送帶落入到兩個(gè)撐書板之間的承書板上，通過(guò)電動(dòng)推桿工作，推動(dòng)撐書板插入目標(biāo)書縫，接著正反牙雙向絲桿旋轉(zhuǎn)，內(nèi)嵌的螺母帶動(dòng)撐書板沿絲桿軸向相背運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)兩個(gè)撐書板展開(kāi)，騰出放書空間，最后由兩撐書板之間的電動(dòng)推桿抵住書脊，將書推至目標(biāo)書縫，然后機(jī)械手抽離書架實(shí)現(xiàn)自動(dòng)還書。柔性輸送帶的作用是防止圖書落入承書板上時(shí)歪斜，保證書可以筆直地落入承書板上，從而保證兩撐書板間的推桿可以抵住書脊將書推進(jìn)書架。還書機(jī)械手的工作步驟;初始狀態(tài):夾書板張開(kāi)到最大的位置，三號(hào)四號(hào)氣缸收縮，一號(hào)電動(dòng)推桿收縮狀態(tài)。

圖4 還書機(jī)構(gòu)

步驟一：電動(dòng)推桿前伸到既定位置將書本從上方書箱中推出順著柔性滑道落入夾書板中。

步驟二：步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)夾書板將書本夾緊——視覺(jué)檢測(cè)書本的寬度產(chǎn)生停止信號(hào)。

步驟三：三號(hào)氣缸前伸到既定位置將書本插入書縫中——視覺(jué)識(shí)別書縫的位置。

步驟四：四號(hào)氣缸前伸氣缸頂著書脊把書完全推入書架中識(shí)別到完全插入書中——視覺(jué)識(shí)別后發(fā)出停止給氣信號(hào)。

步驟五：三號(hào)氣缸收縮，四號(hào)氣缸保持不動(dòng)將機(jī)械手從書縫中拔出- 視覺(jué)需識(shí)別判斷是否成功。

步驟六：四號(hào)氣缸收縮，回復(fù)初始位置。

2.3 機(jī)械手壓力檢測(cè)機(jī)構(gòu)

對(duì)于取書機(jī)械手，要使所有的圖書都能被撥片撥出，在假定所有書的摩擦系數(shù)都近似相等的條件下，只需要滿足能將圖書館中最高和最重的一本圖書撥出即可。以一本大16K精裝書為例，書高297mm，書寬210mm,書厚50mm，鑒于圖書館內(nèi)大部分圖書的質(zhì)量都不到500g，我們?nèi)?00g 作為書架上最難被取下那本書的質(zhì)量，使其繞書脊轉(zhuǎn)動(dòng)，用拉力傳感器連接在撥片和連桿之間，即可測(cè)得這個(gè)最大拉力值。而要滿足夾手可以將露出的圖書抽出，同樣只需要滿足能將最重的圖書抽出即可。經(jīng)仿真可得出撥片需要提供的最大力為35N，如圖5。

圖5 取書機(jī)構(gòu)工作時(shí)輸出力仿真

對(duì)于還書機(jī)械手，撐書板伸入書縫后，需要向兩側(cè)張開(kāi)將圖書撐開(kāi)，我們將一壓力傳感器放置在撐書板和與撐書板接觸的圖書之間，在撐書板中心處施加一個(gè)垂直于撐書板的力，隨著這個(gè)力緩慢增大，當(dāng)撐書板能推動(dòng)圖書運(yùn)動(dòng)時(shí)，記下壓力傳感器的示數(shù)，再將該示數(shù)乘以撐書板中心到正反牙雙向絲桿的垂直距離，所得結(jié)果即為絲桿需提供給撐書板的動(dòng)力。為保證絲桿提供的力能夠驅(qū)動(dòng)撐書板的運(yùn)動(dòng)，應(yīng)盡量選擇圖書緊湊接觸且圖書寬度和厚度較大的圖書來(lái)計(jì)算壓力，并需要多次試驗(yàn)，取最大值，最后將測(cè)得的結(jié)果代入，實(shí)驗(yàn)觀察撐書板能否推動(dòng)圖書。

對(duì)于撐書板之間的推桿，可在其上安裝一壓力傳感器以判斷是否將圖書完全推入書架和避免推桿過(guò)度伸入導(dǎo)致圖書縱向彎曲。

2.4 摩擦力的利用和克服

在取書機(jī)械手的撥片和小夾手處，可緊貼一層橡膠，因?yàn)橄鹉z與大多數(shù)圖書的之間的靜摩擦因數(shù)較大，能在較小力下?lián)軇?dòng)和夾緊圖書。而還書機(jī)械手呈書板上表面要保證足夠光滑，以減小推桿推圖書時(shí)的阻力，如表1。

表1 橡膠表面的摩擦系數(shù)

3 滾珠絲桿傳動(dòng)

滾珠絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)原理如圖6 所示，絲桿整體由下端支撐塊支撐受力，支撐塊左右兩側(cè)分別有圓柱導(dǎo)軌，滾輪通過(guò)固定螺絲螺母實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌與滑塊的聯(lián)軸器鏈接，雙旋絲杠從滑塊中間穿過(guò)，一端固定在端部擋板軸承，一端與步進(jìn)電機(jī)鏈接，由步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力馭動(dòng)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)正向驅(qū)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)絲杠順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，絲杠上的連接套則會(huì)受到向上運(yùn)動(dòng)的外力，將外力傳遞到滑塊上，滑塊再帶動(dòng)固定于其上的撐書板沿著導(dǎo)軌相向或相背運(yùn)動(dòng)。

圖6 滾珠絲桿結(jié)構(gòu)圖

4 視覺(jué)識(shí)別

在取還書時(shí)，需要知道圖書待取出或放回的位置。為了獲得這一位置，需要在機(jī)械手的前端放置Opencv 攝像頭，以30hz 的頻率拍攝圖片，通過(guò)圖像形態(tài)學(xué)處理對(duì)拍攝的圖片進(jìn)行處理,如圖7-8，該方法可以將拍攝的圖片進(jìn)行圖像腐蝕、灰度轉(zhuǎn)化、反色、圖像提取等處理，攝像頭在一定頻率下拍攝的圖片不能直接被計(jì)算器處理，轉(zhuǎn)化成坐標(biāo)，而是要先進(jìn)行圖像處理突出書本與書本之間的間隙，如圖9 所示，原照片有每本圖書的書名信息等等干擾信息，而計(jì)算機(jī)需要的是圖書的輪廓位置，所以要去掉這些干擾信息，通過(guò)圖像形態(tài)學(xué)處理將圖書灰度處理，排除顏色干擾；接下來(lái)進(jìn)行反色、二值化等運(yùn)算指令，進(jìn)行開(kāi)運(yùn)算或閉運(yùn)算，將書的縫隙區(qū)域轉(zhuǎn)化成白色，突出顯示，書背全部用黑色覆蓋，去除書背的文字干擾；接著單取豎向的目標(biāo)進(jìn)行顯示，并將其轉(zhuǎn)化為空間坐標(biāo)，如圖10。

圖7 書照片原圖

圖8 圖書原照片

圖9 灰度轉(zhuǎn)化后的照片

圖10 算法處理后圖書照片的對(duì)比

結(jié)合RFID 技術(shù)，獲得目標(biāo)圖書的位置，支架運(yùn)動(dòng)到該位置前方，絲桿上升到相應(yīng)高度，然后由攝像頭通過(guò)拍攝書架照片片并將圖片處理后將圖書的精確位置發(fā)給程序控制中心，最后由控制中心驅(qū)動(dòng)機(jī)械手調(diào)整位置，完成取還書工作。

5 單片機(jī)控制

核心控制單元是采用宏晶科技公司制造的STC15 系列的STC15w4K58S4 芯片，該芯片不需要外部晶振和外部復(fù)位電路，內(nèi)部時(shí)鐘在5MHz～30MHz 可設(shè)，可工作的寬電壓為2.5～5.5V。其具有超強(qiáng)的抗干擾能力、運(yùn)行速度快、低功耗、成本低等優(yōu)點(diǎn)。且該單片還內(nèi)置了穩(wěn)壓模塊，使得在小衛(wèi)士在電源供給的穩(wěn)定性有了極大的保障。

單片機(jī)的應(yīng)用不僅僅能夠獲取數(shù)據(jù)，同時(shí)還能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理以此來(lái)將數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用。可提高CPU 的數(shù)據(jù)處理能力、控制能力。以單片機(jī)為主題，使用微電子技術(shù)，具備高運(yùn)算速度，大部分的運(yùn)算過(guò)程都會(huì)被大大縮短，從而縮短處理圖書位置的時(shí)間[5]。

6 電力控制及電源模塊

電力控制系統(tǒng)由電源模塊，MCU 模塊、紅外接收模塊和驅(qū)動(dòng)模塊這四部分組成。機(jī)械手裝備有多塊聚合物鋰電池，整個(gè)系統(tǒng)以可充電鋰電池電作為供電系統(tǒng)。

7 驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊采用L293D 電機(jī)驅(qū)動(dòng)拓展板。L293D 是一塊雙H 橋驅(qū)動(dòng)芯片，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2 路直流電機(jī)，并可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)此功能只需改變輸入端的邏輯電平。該芯片在4.5V 至36V 的電壓下提供高達(dá)600m A 的雙向驅(qū)動(dòng)電流，峰值輸出電流每通道可達(dá)到1.2A，其內(nèi)部還自帶著ESD保護(hù)。且該模塊：性價(jià)比高，易于控制，且無(wú)需保護(hù)電路和二極管也無(wú)需散熱片。