小型自动取书装置的研究与设计

瞿晨颖

摘 要：在传统图书馆取阅图书时，往往会遇到图书“高不成低不就”、难以查找等問题。借助能模仿人手臂运动，定位精准的机械手则能有效的解决这些问题。实际上，机械手已经是图书馆自动化与智能化作业的一种主要工具。但目前该类装置仍存在造价高，技术专业等问题，所以一种简易的自动取书装置更适合当前图书馆自动化进程。

关键词：图书馆；自动取书装置；机械手

在传统图书馆内取阅图书，经常也会遇到一些问题。对于身高不高（165cm以下）的人来说，高处的图书往往选取困难；对于穿裙子的女生来说，底下的图书的位置是尴尬的地方；对于眼睛不好的人来说，找书是一件麻烦的事情。图书馆作业的自动化和智能化，则能够从根本上处理这些问题，同时减轻图书馆员的劳动强度、提高工作效率，尤其适用于釆用闭架借阅图书的图书馆。

机械手是图书馆自动化作业的一种主要工具。它通过接受指令，模仿人手和臂的某些动作功能，精确地定位到三维（或二维）空间上的某一点进行抓取或搬运物件等作业，有效代替人的行为以实现图书馆作业的自动化和智能化。这一领域已有了广泛的研究。本课题即在研究现有小型自动取书装置的基础上，结合实际生活遇见的问题，进行创新的改进与设计。

1 现有的小型自动取书装置[1]

现有的图书馆机器人主要用于图书的搬运和自动存取。具有自动存取功能的小型自动取书装置主要有两种形式：一种是自助图书馆，它基于书架的自动化，辅助自动传送系统；一种是移动式图书馆机器人，它完全依赖于移动式服务机器人。

自助图书馆是一种类似ATM机的小型自动取书装置[2]。该装置的书库由若干排可独立移动的机械柜组成，每个机械柜拥有独立的自动图书传送机构，可独立完成自动存取图书的操作。

移动式图书馆机器人在不改变图书馆书架的前提下，完成搬运、自动上下架图书的操作。它有两种基本类型：一种是只能将图书搬运到指定地点的搬运型机器人；另一种是在将图书搬运到指定地点的基础上，还能自动完成图书自动上下架的图书自动存取机器人。

德国洪堡大学图书馆使用的是搬运型机器人[3]。该机器人在安装在上部的导轨导引下，可以穿梭于总服务台与子服务区之间，完成需要上架和分检图书的自动传送。它也可自动乘坐电梯，在一楼和二楼之间往返运动。

美国约翰.霍普金斯大学成功研制了一种图书馆图书自动存取机器人实验装置，即CAPM（Comprehensive Access to Printed Materials）。它是一种存取不同类型印刷品和图书的自动存取装置，可实现机器人移动的自主导航、图书抓取与存储以及图书浏览等多种功能。

2 新型小型自动取书装置

2.1 现有装置的不足

现有的小型自动取书装置能够有效的完成图书分检和自动上架等任务，但无论是自助图书馆或者移动式图书馆，都需要专有的配套设备，而这类设备往往造价成本高昂，维护费用昂贵，并且需要专业人员的护养。显然在当前条件下，这类装置很难普及，并且对于公益属性的图书馆也并非最佳选择。所以简易的小型自动取书装置更有实际应用价值。

通过简单的机械结构，配合价格低廉的电机与控制系统，该种小型自动取书装置既能完成基本的自动存取图书功能，又能节约成本，维护方法也比较简单，更适合作为当前图书馆自动化和智能化的普及装置。

2.2 取书装置的原理

取书装置，即机械手末端执行机构，是自动取书装置机械设计中最重要的部分。该部分的设计好坏直接决定了装置取书是否成功。通过对人手取书过程的研究，可以将取书动作简化为“拨取”与“夹取”两个步骤：类似人手取书，一根手指将目标图书从两旁图书中拨取出来后，另外两根手指进行夹取。

根据这一结论，末端执行机构设计为两部分，取书机构与夹书机构。取书机构的一根手指负责取书，夹书机构的两根手指负责夹书，即末端执行器整体设计成三指形式。

具体运动过程：当自动取书装置执行取书任务时，首先取书机构的一根手指压在目标图书的书脊上部，并给予适当压力。然后取书手指向后收回，借助足够大的摩擦力，目标图书就会以书脊底部为轴，向书柜外侧旋转，完成拨取任务。之后夹书机构的两根手指通过适当的力量加紧图书两侧，完成夹取任务。

3 新型取书装置的设计

为标准化设计，假设目标图书的质量在2kg以内。图书大小在32 开（184×130mm）到16开（297×210mm）之间，厚度为6～20mm[1]。每层书架放置的图书以书脊为淮，整齐垂直摆放，排放顺序从左到右。假设书架尺寸为：长1000mm，宽300mm，高2000mm。

小型自动取书装置需通过在竖直平面内的升降运动（z轴方向）和水平平移运动（y轴方向），完成对目标图书的定位。

3.1 升降运动（Z轴方向）

滚珠丝杠是一种将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的机械装置，它具有传动效率高，运动平稳，精度高，经久耐用，同步性好等特点，因此升降运动采用滚珠丝杠传动。

根据假设，其工作条件为：承重质量2kg，行程与书架高度匹配为2000mm；配套步进电机转速1250r/min；丝杠传动精度±0.03mm，额定工作寿命时间为10000h。

3.2 水平平移运动（Y轴方向）

齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，具有传动效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定等特点，因此水平平移运动采用齿轮齿条传动。

根据假设，选取齿轮尺寸：模数m=1，齿数z=17，分度圆直径d=17mm，齿高h=2.25mm，齿宽b=10mm[1]。

根据齿轮齿条进给公式：

则小齿轮转速

假设该自动取书机构的总重量定为25kg，取安全系数2倍，则齿轮齿条副的最大工作载荷：

。

移动装置如图1[1]。

3.3 末端执行机构

为降低生产成本，末端执行机构采用模块化设计。

巨鳌机械手夹持器是最新一代两舵机夹持器，支持单夹持和“夹持+手腕旋转”两种工作方式。它具有强刚性、平行夹持易于定位被夹持物体、支持各种标准尺寸舵机（适合辉盛的MG995、MG996、SG5010等舵机，支持Hitec、Parallax、Futaba、辉盛等品牌的尺寸为40×20×36mm左右的标准舵机）、可扩展性（两爪面有4个安装孔，可安装薄膜式压力传感器或柔性软垫）、经久耐用等特点[4]。故选用巨鳌机械手加持器作为夹书机构。

取书机构为一根前端有突出的拨取条。末端执行机构如图2。

参考文献

[1]傅向东，尉伟，朱炳，等.小型图书馆自动化集成系统的设计与实现[J].兰州大学学报：社会科学版，2000，（S2）：494-496.

[2] 王展妮，张国亮.图书馆机器人应用研究综述[J].大学图书馆学报，2015，33（3）：82-87.

[3]崔建伟，宋爱国，庄皓兰，等.机器人技术在图书馆自动化系统中的应用研究[J].机器人技术与应用，2009，（6）：33-35.

[4]张建新，昝银忠，贾章伟.自主机器人抓取机构设计与研究[J].机电技术，2010，（3）：71-73.