城市街区自助图书馆取还书机械手结构设计

余旭+++吴昌林（等）

摘 要：城市街区自助图书馆系统是在物联网基础上兴起的文化建设项目，是一种新型的图书馆发展模式。自助图书馆机械手作为图书传输的执行部件，具有借书传输、还书传输、自动分拣的功能，是自助服务效率和安全传输的关键。本文介绍了自助图书馆图书的传输方式，机械手机械系统工作原理以及机械手详细结构。机械手运行稳定，很大程度上提高了图书传输的安全性和自助服务的效率。

关键词：自助图书馆；机械手；机械结构

引言

城市街区自助图书馆系统是物联网技术在图书馆领域的拓展，是集数字化、人性化和智能化为一体的新型图书馆发展模式，是现有公众图书馆服务的延伸，实现了传统图书馆与数字图书馆的完美结合和质的飞跃[1]。自助图书馆系统由自助图书馆服务机、物流管理系统、中心服务系统、图书馆监控系统、资源管理系统等部分构成，其中自助图书馆服务机是自助图书馆系统的硬件基础，也是其核心组成部分[2]。

射频识别技术（RFID）作为自动识别技术的一大分支，是自助图书馆系统的核心技术，它通过无线射频方式获得图书的相关数据，并对图书加以识别，且无需与图书直接接触即可完成信息的输入与处理，能够实时准确地采集和处理信息[3]。正是由于RFID的应用使得自助图书馆系统成为一种典型的人机交互系统，实现了自助办证、自助借书、自助还书、自助预约、自助查询等服务功能的融合[4]。

取书机械手系统作为自助服务的执行子系统，具有借书传输、还书传输、自动分拣的功能，是服务效率和图书安全传输的关键因素。机械手的结构及其系统控制策略对提高服务效率和传输安全系数起着至关重要的作用。机械手定位速度、精度以及传输安全性是机械手控制的三大性能指标[5]。因此，对取书机械手结构进行研究具有重要的意义和应用价值。

1 城市街区自助图书馆介绍

1.1 城市街区自助图书馆系统构架

城市街区自助图书馆由自助图书馆服务机系统、物流管理系统、中心服务系统以及图书馆监控管理系统等部分构成[6]，其核心部分为自助图书馆服务机系统。

自助图书馆服务机系统主要包括客户服务操作终端、浏览书架、图书馆网络终端、图书信息浏览面板、辅助部件等，其中客户服务操作终端是其核心部分。在自助服务机系统上，几乎具备了图书馆全部的子服务功能[7]，其主要内容包括自助借书、自助还书、卡证服务、预约服务和查询服务等。

1.2 城市街区自助图书馆服务机系统

自助图书馆服务机系统主要由客户服务操作终端、浏览书架、图书馆网络终端、图书信息浏览面板、辅助部件等组成。客户服务操作终端是自助图书馆服务机系统的核心部分，负责自助借还书功能的实现，其功能通过取书机械手的空间运动实现。

如图1所示，自助图书馆左边区域为操作控制区，读者可在该区域内完成借书、还书、查询等操作；右边区域为图书陈列区，图书分层摆放在书架上。在借书过程中，机械手需要将图书从指定书架上取出并运送到出书口。在还书过程中，机械手需要将图书从还书口拾取并运送到指定书架上。

图1 城市街区自助图书馆正面

2 取书机械手机械系统工作原理

自助图书馆服务机在传统图书馆书架的基础上添加E字形隔书板，使图书两两隔开，方便U形结构机械手末端夹持装置能够快速准确地插入E形隔书板卡槽内抓取指定图书。机械手末端夹持装置是机械手的末端执行器，末端执行器在三维空间的运动使得图书传送功能得以实现。

图2所示为机械手的三维空间运动，其中 XZ平面为自助图书馆上导轨平面；X轴表示书架的长度方向；Y轴表示书架宽度方向；Z轴表示书架高度方向；W轴为机械手末端执行器的夹持运动方向，该方向与X轴平行，夹持装置在W轴向的运动提供图书夹紧力。机械手具有4个移动关节，X轴、Y轴和Z轴方向的移动实现末端执行器的空间定位；W轴方向的运动提供图书夹紧力，是图书安全输送的关键。

3 机械手结构

在取送书过程中，机械手需要能夹紧松开图书，并且适应不同厚度的图书。具体到设计上，机械手要驱动左右两个手爪移动以夹紧或松开图书，并能够识别或者自适应书本的厚度。

本次设计采用恒压力夹紧控制方式以自适应书本厚度。在手爪夹紧图书的过程中实时监测手爪的夹紧力，当夹紧力达到预设定值，手爪即停止运动。最大夹紧力的设定以能够牢固夹持自助图书馆中最重的图书为依据。设计采用闭环控制，具有较快相应速度。该结构能牢固夹持图书，不仅能有效防止由于夹紧压力值过小造成的的书本脱落，也能防止由于夹紧压力值过大造成的书本损坏。

3.1 机械手爪设计

机械手在定位到要抓取的图书位置之后，在抓取图书过程中要保证能牢固抓取指定图书，同时不影响左右两侧的图书，为此设计E字形隔书板与不对称U字形机械手爪结构，如图3图4所示。一个机械手有左右两个手爪，夹持部分是对称的。隔书板与机械手爪形状上互补，机械手爪在抓取图书过程中，先插入隔书板中，然后两手爪相向运动，抓紧图书。隔书板的厚度为6mm，大于手爪的5mm，因此在机械手定位准确的前提下，手爪能插入相邻两图书的空隙，并且不损坏左右两边的书。机械手爪前端窄后端宽，类似刀刃，在机械手爪插入隔书板的过程中允许的定位误差更大，这种设计提高了机械手定位的容错度。

图3 隔书板结构 图4 机械手爪结构

如图4所示，机械手爪上面长，下面短，上面有两个橡皮触点，下面有一个，这是基于三点确定一个平面的原理而设计的。左右机械手爪各三个橡皮触点，橡皮与绝大部分图书的封面之间的摩擦系数较大，能在较小夹紧力下牢固夹紧图书。相比之下，机械手爪上下对称但无橡皮触点的结构由于金属与封面的摩擦系数较小，导致手爪平面与书籍封面不能很好贴合，运行效果很不理想。

3.2 机械手压力检测机构

机械手采用单个应变式压力传感器检测压力，如图5所示。该压力传感器需要一端固定另一端受力的形式才能准确检测压力，为了检测手爪的夹紧力，需要一种结构将传感器与手爪联系起来，使书对手爪的反作用力间接作用在传感器上。如图6所示，左边手爪直接固定在滑块上，右边手爪与滑块之间有个转轴，手爪能绕轴转动，手爪底部与传感器检测端相贴，书给手爪作用力的同时，手爪底部也给传感器一个作用力。压力传感器固定端和悬臂端（受力端）各有一块垫片，两块垫片使传感器形成图5所示的悬臂测力结构。通过该机构可以实现传感器对夹紧力的测量。

图5 压力传感器

图6 压力传感器测力结构

3.3 机械手驱动结构

机械手在夹紧松开图书过程中，左右两个手爪需要同步相向运动，该运动可以通过凸轮机构实现。如图7所示，凸轮有两道槽，成中心对称，两道槽中各有一个圆柱销，圆柱销上端与滑块紧固，滑块在导轨上只能做直线运动，因此圆柱销也只能做直线运动。为了保证凸轮转动和圆柱销的直线运动成线性关系，凸轮的曲线采用阿基米德螺旋线，其方程如下：

r=20+■ （1）

凸轮曲线如图8所示，当凸轮匀速转动时，圆柱销会沿着圆的径向方向做匀速直线运动，凸轮每转动1°，圆柱销运动0.1mm。在图7中，凸轮顺时针转动，两圆柱销距离增大，机械手张开。凸轮逆时针转动，两圆柱销距离减小，机械手夹紧。

（a）夹板完全合拢 （b）夹板张开 （c）夹板完全张开

图7 凸轮传动机构

3.4 机械手总体结构

机械手总体装配图如图9所示，驱动电机为步进电机，电机经减速器后带动凸轮转动，从而实现机械手的张开和闭合。22为塑料导轨，以提高耐磨性。

4 结束语

本文根据自助图书馆图书地摆放方式，分析了机器手取书流程，设计了隔书板和取书手爪结构，确定了机械取书的基本模式。根据取书的特点，设计了基于恒压力夹紧取书原理的抓书结构，进一步详细设计了机械手驱动结构及机械手总体结构。本文所设计的机械手结构在产品中得到了良好运用，产品运行稳定，自助服务效率得到了提高，本文的研究具有较大的实用价值和理论意义。

参考文献

[1]Huang Y H， Li G Y. Descriptive models for internet of things[A].International Conference on Intelligent Control and Information Processing，Harbin， China： IEEE Press， 2010.483-486.

[2]陈淑珍.基于Web2.0的高校图书馆在线信息素质教育研究[J].图书与情报，2011（3）：104-106.

[3]Welbourne E， et al. Building the internet of things using RFID： The RFID ecosystem experience[J]. IEEE Internet Computing， 2009， 13（3） ： 48-55.

[4]彭奇志，严而清，吴信岚.我国高校在线信息素质教育的分析研究[J].图书与情报，2009（1）：125-127.

[5]熊有伦，尹周平，熊蔡华，等.机器人操作[M].湖北：湖北科学出版社，2002

[6]Murray R M， Li Zexiang， Sastry SS .机器人操作的数学导论[M].徐卫良，钱瑞明，译.北京：机械工业出版社，1998.

[7]Fouad F， Khalil， Pierre Payeur. Robotic interaction with deformable objects under vision and tactile guidance-a review[J]. ROSE2007-IEEE International Workshop on Robotic and Sensors Environments， 2007， 1-6.

作者简介：余旭（1989-），男，湖北武汉人，华中科技大学硕士研究生，研究方向为机电一体化产品设计。

吴昌林（1951-），男，湖北武汉人，华中科技大学教授，博士研究生导师，主要研究方向为机电一体化设备及曲面数控抛光技术。

王玉金（1986-），男，四川宜宾人，华中科技大学博士研究生，主要研究方向足式机器人、机械系统动力学。

周占明（1989-），男，河南驻马店人，华中科技大学硕士研究生，主要研究方向为机电一体化产品设计。

机械手采用单个应变式压力传感器检测压力，如图5所示。该压力传感器需要一端固定另一端受力的形式才能准确检测压力，为了检测手爪的夹紧力，需要一种结构将传感器与手爪联系起来，使书对手爪的反作用力间接作用在传感器上。如图6所示，左边手爪直接固定在滑块上，右边手爪与滑块之间有个转轴，手爪能绕轴转动，手爪底部与传感器检测端相贴，书给手爪作用力的同时，手爪底部也给传感器一个作用力。压力传感器固定端和悬臂端（受力端）各有一块垫片，两块垫片使传感器形成图5所示的悬臂测力结构。通过该机构可以实现传感器对夹紧力的测量。

图5 压力传感器

图6 压力传感器测力结构

3.3 机械手驱动结构

机械手在夹紧松开图书过程中，左右两个手爪需要同步相向运动，该运动可以通过凸轮机构实现。如图7所示，凸轮有两道槽，成中心对称，两道槽中各有一个圆柱销，圆柱销上端与滑块紧固，滑块在导轨上只能做直线运动，因此圆柱销也只能做直线运动。为了保证凸轮转动和圆柱销的直线运动成线性关系，凸轮的曲线采用阿基米德螺旋线，其方程如下：

r=20+■ （1）

凸轮曲线如图8所示，当凸轮匀速转动时，圆柱销会沿着圆的径向方向做匀速直线运动，凸轮每转动1°，圆柱销运动0.1mm。在图7中，凸轮顺时针转动，两圆柱销距离增大，机械手张开。凸轮逆时针转动，两圆柱销距离减小，机械手夹紧。

（a）夹板完全合拢 （b）夹板张开 （c）夹板完全张开

图7 凸轮传动机构

3.4 机械手总体结构

机械手总体装配图如图9所示，驱动电机为步进电机，电机经减速器后带动凸轮转动，从而实现机械手的张开和闭合。22为塑料导轨，以提高耐磨性。

4 结束语

本文根据自助图书馆图书地摆放方式，分析了机器手取书流程，设计了隔书板和取书手爪结构，确定了机械取书的基本模式。根据取书的特点，设计了基于恒压力夹紧取书原理的抓书结构，进一步详细设计了机械手驱动结构及机械手总体结构。本文所设计的机械手结构在产品中得到了良好运用，产品运行稳定，自助服务效率得到了提高，本文的研究具有较大的实用价值和理论意义。

参考文献

[1]Huang Y H， Li G Y. Descriptive models for internet of things[A].International Conference on Intelligent Control and Information Processing，Harbin， China： IEEE Press， 2010.483-486.

[2]陈淑珍.基于Web2.0的高校图书馆在线信息素质教育研究[J].图书与情报，2011（3）：104-106.

[3]Welbourne E， et al. Building the internet of things using RFID： The RFID ecosystem experience[J]. IEEE Internet Computing， 2009， 13（3） ： 48-55.

[4]彭奇志，严而清，吴信岚.我国高校在线信息素质教育的分析研究[J].图书与情报，2009（1）：125-127.

[5]熊有伦，尹周平，熊蔡华，等.机器人操作[M].湖北：湖北科学出版社，2002

[6]Murray R M， Li Zexiang， Sastry SS .机器人操作的数学导论[M].徐卫良，钱瑞明，译.北京：机械工业出版社，1998.

[7]Fouad F， Khalil， Pierre Payeur. Robotic interaction with deformable objects under vision and tactile guidance-a review[J]. ROSE2007-IEEE International Workshop on Robotic and Sensors Environments， 2007， 1-6.

作者简介：余旭（1989-），男，湖北武汉人，华中科技大学硕士研究生，研究方向为机电一体化产品设计。

吴昌林（1951-），男，湖北武汉人，华中科技大学教授，博士研究生导师，主要研究方向为机电一体化设备及曲面数控抛光技术。

王玉金（1986-），男，四川宜宾人，华中科技大学博士研究生，主要研究方向足式机器人、机械系统动力学。

周占明（1989-），男，河南驻马店人，华中科技大学硕士研究生，主要研究方向为机电一体化产品设计。

机械手采用单个应变式压力传感器检测压力，如图5所示。该压力传感器需要一端固定另一端受力的形式才能准确检测压力，为了检测手爪的夹紧力，需要一种结构将传感器与手爪联系起来，使书对手爪的反作用力间接作用在传感器上。如图6所示，左边手爪直接固定在滑块上，右边手爪与滑块之间有个转轴，手爪能绕轴转动，手爪底部与传感器检测端相贴，书给手爪作用力的同时，手爪底部也给传感器一个作用力。压力传感器固定端和悬臂端（受力端）各有一块垫片，两块垫片使传感器形成图5所示的悬臂测力结构。通过该机构可以实现传感器对夹紧力的测量。

图5 压力传感器

图6 压力传感器测力结构

3.3 机械手驱动结构

机械手在夹紧松开图书过程中，左右两个手爪需要同步相向运动，该运动可以通过凸轮机构实现。如图7所示，凸轮有两道槽，成中心对称，两道槽中各有一个圆柱销，圆柱销上端与滑块紧固，滑块在导轨上只能做直线运动，因此圆柱销也只能做直线运动。为了保证凸轮转动和圆柱销的直线运动成线性关系，凸轮的曲线采用阿基米德螺旋线，其方程如下：

r=20+■ （1）

凸轮曲线如图8所示，当凸轮匀速转动时，圆柱销会沿着圆的径向方向做匀速直线运动，凸轮每转动1°，圆柱销运动0.1mm。在图7中，凸轮顺时针转动，两圆柱销距离增大，机械手张开。凸轮逆时针转动，两圆柱销距离减小，机械手夹紧。

（a）夹板完全合拢 （b）夹板张开 （c）夹板完全张开

图7 凸轮传动机构

3.4 机械手总体结构

机械手总体装配图如图9所示，驱动电机为步进电机，电机经减速器后带动凸轮转动，从而实现机械手的张开和闭合。22为塑料导轨，以提高耐磨性。

4 结束语

本文根据自助图书馆图书地摆放方式，分析了机器手取书流程，设计了隔书板和取书手爪结构，确定了机械取书的基本模式。根据取书的特点，设计了基于恒压力夹紧取书原理的抓书结构，进一步详细设计了机械手驱动结构及机械手总体结构。本文所设计的机械手结构在产品中得到了良好运用，产品运行稳定，自助服务效率得到了提高，本文的研究具有较大的实用价值和理论意义。

参考文献

[1]Huang Y H， Li G Y. Descriptive models for internet of things[A].International Conference on Intelligent Control and Information Processing，Harbin， China： IEEE Press， 2010.483-486.

[2]陈淑珍.基于Web2.0的高校图书馆在线信息素质教育研究[J].图书与情报，2011（3）：104-106.

[3]Welbourne E， et al. Building the internet of things using RFID： The RFID ecosystem experience[J]. IEEE Internet Computing， 2009， 13（3） ： 48-55.

[4]彭奇志，严而清，吴信岚.我国高校在线信息素质教育的分析研究[J].图书与情报，2009（1）：125-127.

[5]熊有伦，尹周平，熊蔡华，等.机器人操作[M].湖北：湖北科学出版社，2002

[6]Murray R M， Li Zexiang， Sastry SS .机器人操作的数学导论[M].徐卫良，钱瑞明，译.北京：机械工业出版社，1998.

[7]Fouad F， Khalil， Pierre Payeur. Robotic interaction with deformable objects under vision and tactile guidance-a review[J]. ROSE2007-IEEE International Workshop on Robotic and Sensors Environments， 2007， 1-6.

作者简介：余旭（1989-），男，湖北武汉人，华中科技大学硕士研究生，研究方向为机电一体化产品设计。

吴昌林（1951-），男，湖北武汉人，华中科技大学教授，博士研究生导师，主要研究方向为机电一体化设备及曲面数控抛光技术。

王玉金（1986-），男，四川宜宾人，华中科技大学博士研究生，主要研究方向足式机器人、机械系统动力学。

周占明（1989-），男，河南驻马店人，华中科技大学硕士研究生，主要研究方向为机电一体化产品设计。