韓洋HAN Yang；胡文雙HU Wen-shuang；趙華ZHAO Hua

（南陽理工學(xué)院智能制造學(xué)院，南陽 473004）

0 引言

現(xiàn)如今，全球多數(shù)圖書館都是采用人工方式進(jìn)行圖書的存取和放置工作，但這種傳統(tǒng)的圖書管理方式既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。并且，圖書是人類記錄知識最有效的方式，隨著時(shí)代的進(jìn)步，圖書的數(shù)量只會越來越多。因此，如何使圖書管理人員從繁雜的機(jī)械式勞動中解脫出來，以進(jìn)一步提高圖書的管理效率以及降低圖書館日常運(yùn)營成本，是一個(gè)亟待解決的問題。本文基于“探索者”創(chuàng)新平臺，設(shè)計(jì)了一種在圖書館場景下能夠自動識別、抓取、存放，且具備循跡、避障等功能的圖書搬運(yùn)機(jī)器人。

1 圖書搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)最終目的是機(jī)器人能夠在圖書館中完成圖書的自動搬運(yùn)工作，解放人力勞動。因此，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮實(shí)際圖書館中書架的距離間隙、地面的斜度、高度以及光滑程度，同時(shí)考慮到機(jī)器人需要長時(shí)間代替人來完成機(jī)械運(yùn)動，且圖書館環(huán)境相對安靜，還要對其續(xù)航時(shí)間和噪聲大小等提出要求，最終確定的機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 機(jī)械結(jié)構(gòu)主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)任務(wù)要求，本文設(shè)計(jì)的圖書搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示，主要包含移動機(jī)構(gòu)、拾取機(jī)構(gòu)和輔助機(jī)構(gòu)等。其中移動機(jī)構(gòu)的任務(wù)是為機(jī)器人提供移動能力，完成轉(zhuǎn)向和續(xù)航指標(biāo)；拾取機(jī)構(gòu)的任務(wù)是完成對于圖書的拾取和放置工作；輔助機(jī)構(gòu)的任務(wù)是輔助拾取機(jī)構(gòu)完成放置目的，彌補(bǔ)機(jī)器人自由度上的缺陷及提高機(jī)器人工作效率。針對不同的任務(wù)需求，利用模塊化的設(shè)計(jì)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率的同時(shí)，有利于組織專業(yè)化生產(chǎn)、降低成本和提高質(zhì)量。

圖1 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)組成

1.1 移動機(jī)構(gòu)

移動機(jī)構(gòu)是圖書搬運(yùn)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)尋跡、避障等功能的基礎(chǔ)，也直接影響了其續(xù)航時(shí)間和運(yùn)動靈敏度，輪式移動方式在經(jīng)濟(jì)和結(jié)構(gòu)上有著突出的優(yōu)勢，并滿足機(jī)器人技術(shù)指標(biāo)。

輪式移動方式主要根據(jù)其所用車輪的數(shù)量來進(jìn)行劃分，可分為三輪、四輪及多輪（五輪以上），其中五輪以上的多輪運(yùn)動方式過于復(fù)雜，對于機(jī)器人的成本而言，得不償失。故運(yùn)動方案在三輪和四輪之間進(jìn)行選擇。

1.1.1 三輪式 一般的三輪式移動方式為兩個(gè)驅(qū)動輪加一個(gè)萬向輪的布置，此移動機(jī)構(gòu)簡單、緊湊，具有一定的承載能力和轉(zhuǎn)向能力，但其穩(wěn)定性較差，尤其是在轉(zhuǎn)向時(shí)容易發(fā)生側(cè)翻的情況。

1.1.2 四輪式 這是絕大多數(shù)移動機(jī)器所采用的運(yùn)動方式，可分為雙電機(jī)驅(qū)動和四電機(jī)驅(qū)動。對于承載力而言，雙電機(jī)驅(qū)動和四電機(jī)驅(qū)動相差不大，但四電機(jī)驅(qū)動擁有更加強(qiáng)大的動力和更出色的續(xù)航能力。

圖書搬運(yùn)機(jī)器人要在圖書館內(nèi)代替人進(jìn)行圖書的存取和放置工作，所以需要較好的穩(wěn)定性、較高的承載能力和出色的續(xù)航能力，且增加兩個(gè)電機(jī)對于成本的影響不大，故選擇四輪驅(qū)動中的四電機(jī)驅(qū)動方式。

驅(qū)動電機(jī)是圖書搬運(yùn)機(jī)器人的動力來源，也是最終決定機(jī)器人能否穩(wěn)定運(yùn)行以及長時(shí)間續(xù)航的一個(gè)重要因素[1]。通過對驅(qū)動電機(jī)總驅(qū)動力和功率的計(jì)算，初步選擇驅(qū)動電機(jī)的型號[2]。

車輪與軸承間的摩擦力計(jì)算公式[3]：

式（1）中，P—車輪輪壓；D—車輪直徑；d—軸直徑；μ—車輪與軸承的摩擦因素。

式（2）中，N—正壓力；f—摩擦因素。

慣性阻力Wg的計(jì)算公式：

式（3）中，a—加速度；g—重力加速度；G—移動機(jī)構(gòu)總質(zhì)量。

式（5）中，f—車輪與地面的摩擦因素；N—機(jī)器人對地面的正壓力；D—車輪直徑。

式（6）中，v—驅(qū)動輪線速度；D—車輪直徑。

式（7）中，TL—驅(qū)動轉(zhuǎn)矩T 代替；η—機(jī)械效率。

式（8）中，ta—加減速時(shí)間；G—車輪重量；D—車輪直徑。其中，

根據(jù)表1 中的技術(shù)參數(shù)，初步確定圖書搬運(yùn)機(jī)器人重量為10kg，μ=0.01，d=6mm，D=64mm，可以得到圖書搬運(yùn)機(jī)器人的總驅(qū)動力為

依據(jù)得出的總驅(qū)動力，可確定每個(gè)輪受到的驅(qū)動力為FL（R）=28.6N。

因此力矩Tf為

根據(jù)Tf的理論計(jì)算結(jié)果，最終選擇的電機(jī)型號為JGB37-520。

1.2 拾取機(jī)構(gòu)

圖書搬運(yùn)機(jī)器人需要具有升降存儲以及自動拾取圖書的功能，因此確定拾取機(jī)構(gòu)由升降存儲臺、多自由度的機(jī)械臂和機(jī)械爪組成[4]。

機(jī)械爪作為末端執(zhí)行器，是機(jī)器人完成抓取功能最直接的部件。它需要仿真人類手部的運(yùn)動方式，對物品進(jìn)行拾取。由于圖書的橫截面積較小，故選用傳統(tǒng)的機(jī)械式夾取器。

本文設(shè)計(jì)的機(jī)械式夾持器為雙指手爪式，它依靠手爪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)夾取，屬于回轉(zhuǎn)型手爪。其工作原理為：用舵機(jī)帶動其中一邊的手爪零件運(yùn)動，再通過齒輪嚙合帶動另一邊的手爪零件運(yùn)動實(shí)現(xiàn)手爪的抓取動作[5]。且其末端夾取桿上配有多個(gè)M3 螺紋孔，方便后期對于夾取器的擴(kuò)展和修改。

機(jī)械臂是模仿人類手臂的機(jī)械部件，它是機(jī)器人整體中自由度最多，控制難度最大的部位。在設(shè)計(jì)時(shí)，機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)要盡可能的緊湊，采用強(qiáng)度高而質(zhì)量小的輕質(zhì)材料，安裝時(shí)，盡可能保持直線，使機(jī)械臂整體的重心在可控范圍內(nèi)，提高機(jī)械臂的控制精度。

設(shè)計(jì)的機(jī)械臂自由度越多，機(jī)械臂就越靈活，但控制難度也會相對增加。本文選擇4 自由度的機(jī)械臂外加一個(gè)旋轉(zhuǎn)云臺的方案。增加一個(gè)云臺，可以使機(jī)械臂的整體重心更加集中，底部安裝強(qiáng)度增強(qiáng)，利于控制和移動的穩(wěn)定性。

1.3 輔助機(jī)構(gòu)

為了方便圖書拾取，存儲臺應(yīng)具有升降功能，利于改變位置高度。本文圖書存儲臺選用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、運(yùn)動效率高、安全可靠的X 式剪叉式升降臺。同時(shí)在底部使用絲桿螺母傳動的方式，把電機(jī)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為直行平動的方式，這樣不僅有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且可以提高電機(jī)傳動效率。

選用的電機(jī)需在絲杠受載情況下，帶動螺母進(jìn)行穩(wěn)定前進(jìn)，故對絲杠副的轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)行初步計(jì)算，根據(jù)所計(jì)算的數(shù)據(jù)來選用相對合理的步進(jìn)電機(jī)。

實(shí)心滾珠絲杠副轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算公式為：

因此將直線運(yùn)動參數(shù)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的轉(zhuǎn)動慣量：

式中：m 為滾珠絲杠副的質(zhì)量；v 為滾珠絲杠副螺母的線速度；n 為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速；p 為滾珠絲杠的導(dǎo)程。

初步確定參數(shù)m=2.24kg，v=0.24m/min，n=60r/min。將以上預(yù)估參數(shù)帶入式（16）中可求得J≈9.073·cm2。

根據(jù)所求實(shí)心滾珠絲杠副的轉(zhuǎn)動慣量，電機(jī)型號選用42HD1403 的電機(jī)。并依據(jù)STM32 的供電電壓為12V，故選用的電機(jī)符合所需電壓，且質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量均符合設(shè)計(jì)要求，故可以作為實(shí)際應(yīng)用電機(jī)。

基于“探索者”創(chuàng)新平臺的圖書搬運(yùn)機(jī)器人整體裝配三維模型如圖2 所示，搭建的實(shí)物模型如圖3 所示[6]。

圖2 機(jī)器人三維模型

圖3 機(jī)器人實(shí)物模型

2 圖書搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖書搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)包含硬件和軟件兩部分，以STM32F103C8T6 為主控制器，在Keil uVision5 中編寫實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的程序。本文設(shè)計(jì)的圖書搬運(yùn)機(jī)器人需要滿足循跡、避障、升降臺升降、機(jī)械臂運(yùn)作、條形碼識別、蜂鳴器警示等功能。其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖，如圖4 所示。

圖4 圖書搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2.1 路徑規(guī)劃

在日常取放書的過程中，難免會遇到障礙物，為了提高機(jī)器人的工作效率，給機(jī)器人加入了路徑規(guī)劃，以統(tǒng)一機(jī)器人的工作路徑，減少不必要的避障措施。本文選擇了口字形運(yùn)輸路線，機(jī)器人會按照我們規(guī)定的口字形路徑進(jìn)行運(yùn)輸搬運(yùn)。

2.2 超聲波避障

US-100 型超聲測距探頭在2cm 到10m 的范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)高精度的無接觸探測，為機(jī)器人的避障工作提供了可靠的基礎(chǔ)。另外，它還配有溫度傳感器，可對超聲波模塊內(nèi)部電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償，使模塊精度更高且適應(yīng)性更強(qiáng)，能夠準(zhǔn)確地標(biāo)定測量出的距離。

機(jī)器人通過實(shí)時(shí)更新的超聲波測距數(shù)據(jù)進(jìn)行避障。當(dāng)超聲波傳感器數(shù)據(jù)大于200mm 時(shí)，判定為無障礙，執(zhí)行循跡程序，當(dāng)小于200mm 時(shí)，執(zhí)行轉(zhuǎn)向程序，具體為先后退一定距離，再轉(zhuǎn)向90 度。后退距離和轉(zhuǎn)向角度通過延時(shí)實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)向完成后繼續(xù)讀取超聲波數(shù)據(jù)并判斷，以此循環(huán)[7]。

2.3 紅外循跡

KEYES 紅外循跡傳感器模塊可以有效地檢測和跟蹤物體的運(yùn)動軌跡，并且利用紅外線的反射率不同，將光線的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為電流信號，從而實(shí)現(xiàn)對物體運(yùn)動軌跡的實(shí)時(shí)監(jiān)測和跟蹤。當(dāng)左右兩邊傳感器都接受到信號時(shí)說明黑線在車輪中央。這時(shí)候小車是按黑線正常行駛的，如果左邊的傳感器沒能識別到黑色線，那么左邊的傳感器就會給單片機(jī)一個(gè)信號，然后單片機(jī)發(fā)出指令讓左側(cè)的兩個(gè)輪子停止轉(zhuǎn)動，直到左側(cè)的傳感器識別到黑線，兩邊傳感器都能接收到信號時(shí)，機(jī)器人恢復(fù)正常行駛。

2.4 機(jī)械臂的抓取及升降臺的升降

機(jī)械臂對書本的抓取是通過單片機(jī)控制六個(gè)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)的，本文選擇的是RDS3120 舵機(jī)，其特點(diǎn)是控制精確、線性度極佳，而且反應(yīng)迅捷，可以滿足各種復(fù)雜的操作需求。需要多次調(diào)試機(jī)械臂的位置，以得到其運(yùn)作的準(zhǔn)確路徑。升降臺的升降由步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，通過計(jì)算升降的距離以及絲杠螺母的位置，確保升降功能得到實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)論

本文基于“探索者”創(chuàng)新平臺，設(shè)計(jì)并制作了一種圖書搬運(yùn)機(jī)器人[8]。采用多種傳感器進(jìn)行環(huán)境信息的實(shí)時(shí)感知，配合路徑規(guī)劃，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，結(jié)果表明：在圖書館場景下該機(jī)器人能夠?qū)D書自動識別、抓取、存放，且具備循跡、避障等功能。但在多次實(shí)驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人耗電問題較大，且電機(jī)的噪聲還可以繼續(xù)減少，以適應(yīng)圖書館相對安靜的環(huán)境。