胡官陽，金佳翰，韓澤琦

（浙江工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會經(jīng)濟的進步，傳統(tǒng)的圖書館管理系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足人們的閱讀和查閱資料的需求。智能化、規(guī)模化、現(xiàn)代化的圖書館已經(jīng)成為未來圖書館的發(fā)展方向。傳統(tǒng)的方式是由圖書館工作人員不斷地重復(fù)繁瑣的圖書整理工作，由于圖書種類繁多、圖書大小參差不齊，工作人員很容易出現(xiàn)分類、擺放出錯的問題。隨著圖書規(guī)模增加，許多圖書館已經(jīng)出現(xiàn)了人力資源不足、人力成本過高的問題。于是，運用機器人技術(shù)幫助圖書館工作人員進行管理、服務(wù)讀者，能夠大大滿足新時代背景下人們的閱讀需求。

本項目結(jié)合機械相關(guān)知識、“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)時代背景以及目前圖書管理遇到的相關(guān)問題，設(shè)計研究了一種基于機械系統(tǒng)的新式智能圖書整理系統(tǒng)，以創(chuàng)新和提高圖書館圖書的管理模式和效率。

1 圖書管理發(fā)展趨勢

1.1 國內(nèi)機械輔助管理圖書的現(xiàn)狀

通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)出現(xiàn)的機械化圖書整理系統(tǒng)主要有三大類：物流機器人輔助運輸，機械手、機械臂分揀，類ATM機的自助借還系統(tǒng)。機械輔助圖書整理在我國的發(fā)展主要分為理論思辨、應(yīng)用初探、智能化實踐三個階段。但是目前的機械輔助圖書管理模式仍存在一定的問題，主要有機器人技術(shù)不完善、創(chuàng)新能力不足、缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、智能化程度較低等。

在機械管理圖書的各類模式中，需要三項關(guān)鍵的技術(shù)，即文獻定位技術(shù)、自動導(dǎo)航技術(shù)、圖書拾取技術(shù)。許多學(xué)者在這三項技術(shù)上都有較為深入的研究，例如基于排架號可計算的文獻定位技術(shù)、UWB定位導(dǎo)航技術(shù)、特制機械手取書技術(shù)等。

1.2 圖書館管理模式的趨勢

信息化、物聯(lián)化的時代，給圖書館的管理模式帶來了許多機遇，同時也帶來了很多挑戰(zhàn)。目前的管理模式主要存在圖書安全難以保證、缺乏多元化和個性化的服務(wù)以及管理成本較高等問題，所以未來圖書館的管理方式需要節(jié)約成本費用、優(yōu)化管理方式、提高服務(wù)質(zhì)量。

隨著機器人技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，圖書館的管理模式一定會隨著機器人的到來而發(fā)生長遠的改變。另外，隨著5G技術(shù)的發(fā)展和日漸成熟，圖書館的管理模式創(chuàng)新也將需要5G技術(shù)的參與。5G技術(shù)將提供VR和AR智慧圖書館、智慧閱讀、智慧服務(wù)等功能，為讀者提供更加多元化、特色化、趣味化的服務(wù)。

2 圖書管理系統(tǒng)設(shè)計

2.1 需求分析

經(jīng)過大量的問卷調(diào)研情況分析，目前圖書館的讀者一般分為三大類。第一類：讀者目的明確，一般是帶著固定的目標(biāo)書目來到圖書館借閱，此類讀者的需求簡單，就是在藏書量極大的圖書館中，精確定位到該本書的位置。目前圖書館的分類方式可以滿足這類讀者較快速定位到該類書的具體位置，但具體的書目還需要根據(jù)書本編號在某一特定區(qū)域花較長時間尋找。第二類：讀者方向明確，但是不清楚自己需要的具體書目的名稱，此類讀者清楚自己的借閱方向，即明確的是書目的種類，因此這類讀者的需求就是在圖書館中找到這類書的具體位置，目前圖書館已經(jīng)可以做到這一點。第三類：讀者不明確方向也不明確具體書目，他們的閱讀內(nèi)容混雜，涉獵知識面廣泛，他們的需求就是圖書館可以有較大的藏書量、較為豐富的書目種類，因此也需要圖書館有較為完善的圖書查詢功能。另外，較多的讀者也希望圖書館可以有一個較為安靜整潔的環(huán)境，這有利于讀者在圖書館中進行閱讀和學(xué)習(xí)。

2.2 新式圖書管理系統(tǒng)的功能架構(gòu)設(shè)計

基于智能機械的新式圖書管理系統(tǒng)的功能架構(gòu)如圖1所示。讀者輸入指令后確定借書或還書目標(biāo)，機械系統(tǒng)接收指令后確定圖書的具體位置，隨后系統(tǒng)取書或放書至指定位置，便完成了一次借還書過程。在多人借閱的情況下，有多套系統(tǒng)同時運行，滿足快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的借還書需求。

圖1 功能架構(gòu)

2.3 機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了滿足整體系統(tǒng)的各項功能，基于智能機械的新式圖書管理系統(tǒng)的機械系統(tǒng)部分如圖2所示。系統(tǒng)由和軸導(dǎo)軌、四邊形伸縮機構(gòu)、視覺識別電磁機構(gòu)以及書夾組成。系統(tǒng)主要負責(zé)取書、放書、運書功能。在借書工況下，系統(tǒng)收到信號，確定書目具體目標(biāo)后，導(dǎo)軌及四邊形伸縮機構(gòu)精確移動到該書所在位置，由視覺識別模塊識別確認(rèn)書目條紋碼信息后，將電磁模塊通電，靠近鐵質(zhì)書夾，利用電磁吸力將書本取出，隨后導(dǎo)軌與四邊形伸縮機構(gòu)移動至借書指定位置，電磁模塊斷電即可完成借書。在還書工況下，整體過程與借書工況大致相反，由讀者將書本放入書夾中，系統(tǒng)將書本歸位并更新書本位置信息即可。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.4 系統(tǒng)整體架構(gòu)

機械系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖3所示。讀者輸入指令后發(fā)出信號，系統(tǒng)接收到信號以后由云端數(shù)據(jù)庫提供該書目的具體位置信息，隨后導(dǎo)軌與伸縮桿精確移動，再由通電的電磁鐵模塊將書本取出，移動到指定位置。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)

2.5 重要功能細節(jié)設(shè)計

（1）、軸導(dǎo)軌及伸縮桿

、軸導(dǎo)軌和伸縮機構(gòu)如圖4所示。導(dǎo)軌采用三條梯形螺紋絲桿滑塊結(jié)構(gòu)，采用伺服電機精確控制其進給距離，可以保證取運書過程中的精確性和穩(wěn)定性。另外，伸縮機構(gòu)為四邊形機構(gòu)，由液壓推力桿控制，可以精確控制推力桿行程，以滿足精確定位的目標(biāo)。

圖4 X、Y軸導(dǎo)軌和伸縮機構(gòu)

（2）書夾的設(shè)計與使用

書夾設(shè)計是本項目核心內(nèi)容，書夾的結(jié)構(gòu)設(shè)計情況如圖5所示。書夾由書夾長桿、書夾后蓋、書夾底座、書夾滑塊和彈簧組成，此書夾設(shè)計可以滿足不同大小類型的圖書。書夾后蓋有一小折彎，當(dāng)電磁模塊牢牢吸附在鐵頁以下的書夾后蓋背部時，電磁模塊將頂住鐵頁，從而使整個書夾固定在電磁模塊上而不會滑落，使書籍運送時更加安全可靠；書夾后蓋上部與書夾長桿相連接，書夾長桿在連接書夾后蓋和書夾滑蓋的同時也夾住了書本，與書夾底座一起作用使書本能直立在書夾中，書夾滑蓋通過彈簧的作用使其緊貼在書脊上，從而約束了書本；書夾底座和書夾滑蓋與書籍接觸的部分均帶有橡膠墊，用以防止損傷書籍。書夾的使用如圖6所示。

圖5 書夾的結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖6 書夾的使用示意圖

本設(shè)計中，圖書館的每一本書都將放入書夾中，書夾的制作材料除書夾后蓋以外，其余結(jié)構(gòu)都可以由高強度塑料制作，因此成本較低，在藏書量較大的圖書館中也不會耗費較多的資金。

（3）設(shè)備降噪處理

圖書館是一個學(xué)習(xí)和閱讀的場所，環(huán)境的安靜和整潔十分重要，因此本項目需要對設(shè)備進行深度的降噪處理。主要的處理方式有：提高設(shè)備裝配精度、定期進行設(shè)備潤滑、吸聲材料包裹存書房間等。

3 圖書管理和服務(wù)模式創(chuàng)新

基于上文所述的圖書管理系統(tǒng)，可以創(chuàng)新一種新式的圖書管理模式，此模式具有許多傳統(tǒng)圖書管理模式所不具有的優(yōu)勢。

（1）圖書整理快速準(zhǔn)確

在此模式下，所有圖書整理任務(wù)都將由機械代為完成，替代了原有人工整理的方式，可以在較短的時間內(nèi)精確完成圖書整理工作，節(jié)省了大量人力。

（2）物聯(lián)網(wǎng)控制

讀者可以通過微信小程序或者APP查詢具體書目，并由微信小程序或APP發(fā)出指令取書（還書），讀者只須在指定地點等待即可。

（3）圖書館空間資源利用提升

在此系統(tǒng)工作模式下，可以將圖書館存書房間與閱覽房間獨立設(shè)置，且存書房間中的書架允許用更小的距離擺放。因此可以節(jié)省出許多空間資源。

（4）書目推薦

在微信小程序或者APP中，可以根據(jù)用戶的歷史借閱和搜索信息，對用戶的閱讀習(xí)慣進行分析，并向用戶推送書目信息。

4 結(jié) 語

圖書館管理服務(wù)智能化趨勢非常明顯且十分重要。智能化的設(shè)計可以為圖書館提供較好的管理和服務(wù)模式，進而可以在降低管理成本的前提下提升圖書館的管理和服務(wù)質(zhì)量，適應(yīng)未來化圖書館的需求。較好的圖書管理模式還可以為讀者提供更為優(yōu)越的閱讀環(huán)境和閱讀體驗，吸引更多人進入圖書館閱讀，豐富人們的文化生活。本項目可以為智能化圖書館設(shè)計提供思路。