图书馆智能化文献自动拾取机器人技术研究

文 / 朱晓霞

图书馆智能化文献自动拾取机器人技术研究

文 / 朱晓霞

图书馆智能化文献自动拾取机器人是应用于图书馆文献资源典藏管理和读者服务流通工作的重要智能化技术。文章分析了图书馆智能化文献自动拾取机器人的现状及存在问题，探讨了图书馆智能化文献自动拾取机器人的移动平台设计、机械拾取手臂设计、机械手夹持器设计以及机械手整体设计案例，力图为全面了解图书馆智能化机器人技术提供参考。

图书馆；智能化；智能机器人；文献自动拾取机器人

随着以智能化为标志的工业4.0时代和图书馆4.0时代的到来，图书馆智能化机器人技术逐渐被引入到图书馆工作中，为图书馆日益繁忙的工作提供了高效快捷的解决方法。目前，在图书馆从事服务的智能化机器人有多种类型，采用了多项关键性技术，而智能化机器人的文献自动拾取技术是其中重要的一项。

一、图书馆智能化文献自动拾取机器人技术的现存缺陷

图书馆智能化文献自动拾取机器人技术的重点，是要让机器人模仿图书馆工作人员对于图书馆文献的自动拾取[1]。从图书馆智能化文献自动拾取机器人结构设计的角度讲，拾取技术主要是由三部分的设计构成，即图书馆智能化文献自动拾取机器人移动平台、文献自动拾取机械手臂和文献自动拾取机械手夹持器的结构设计。但是，目前大多数投入使用的图书馆文献自动拾取机器人普遍存在的问题是：机器人的机械手达不到图书馆文献自动拾取精确度的专业需求，无法用一只机械手在密集的图书馆书库和书架的文献之间对文献自主进行上架和下架的拾取操作；图书馆智能化文献自动拾取机器人的设计尺寸，除了少数可以达到1.8米，与真人的身高相似以外[2]，大多数相对较为矮小，难以上架和下架高层书架上的文献；常用的图书馆智能化文献自动拾取机器人为四轮设计的行走机构，在图书馆相对狭窄的书架空间中改变和维持姿态较为困难。由于文献自动拾取机器人与书架之间的相对位置和姿态不容易控制，在设计时往往需要采用矩阵法来建立机器人移动平台转台各个支路之间的位置和姿态变换关系。

二、图书馆智能化文献自动拾取机器人技术的设计研究

（一）移动平台的设计

根据图书馆智能化文献自动拾取机器人实现运动方式的不同类型，机器人的移动方式通常可以分为车轮式、滑轨式、履带式和多足式等。从目前国内外多个图书馆的实际应用效果来看，车轮式结构具有运动平稳、移动快速、方向灵活、操作简单、适用于平坦地面等多种优势，更加适合应用于同层范围内的图书馆智能化文献自动拾取机器人中。而滑轨式结构具有能够在图书馆不同楼层之间快速运移的特点，更加适合应用于不同楼层范围内的图书馆智能化文献自动拾取机器人中。移动平台的车轮式结构，依据车轮的数量多少，可分类为2—4轮和多轮的设计。车轮布局设计主要的考虑因素是平衡性、稳定性、灵活性和静音性。一般3—4轮由于其机动性和稳定性较好，所以成为优先选择的设计方案[3]。此外，为了保证图书馆安静的环境，防止文献自动拾取机器人移动平台在运动中产生噪音，在机器人移动平台的车轮结构设计中保持良好的静音性，车轮的材质适宜选用具有减震效果的橡胶轮，而不宜采用容易发出噪音的塑料轮。

（二）移动平台的不同类型

在图书馆智能化文献自动拾取机器人应用的初级阶段，可以采用机器人和人工相结合的半自动方式来进行图书馆文献的拾取工作。在这种情况下，文献拾取机器人移动平台往往会被设计为智能书车的形式，后续的文献自动拾取的机械手臂和机械手夹持器等工作，则可以由图书馆工作人员代为完成。如由南京大学联合其他机构研发的，已经在南京大学仙林校区杜厦图书馆外文阅览室投入使用的图书馆机器人智能书车就是如此。它有一米多高，外形很像一个小书车，工作时会默默地、悄无声息地灵活行走在图书馆的各排书架之间[4]。而德国洪堡大学科学图书馆的智能化文献自动拾取机器人移动平台的基本功能是在图书馆总服务台与各功能区之间自动传送需要上架和分检的文献，从而实现图书馆智能化文献自动拾取机器人的全部功能。

（二）机械拾取手臂的设计

图书馆智能化自动拾取机器人机械拾取手臂的设计，主要有直角坐标垂直升降手臂和多自由度关节型机械手臂两种。直角坐标垂直升降手臂的优点是结构简单，不需要太多复杂的运动学计算，但是它的缺点是操作空间往往会受限。多自由度关节型机械手臂可以充分利用相对成熟的工业机器人设计，使其在图书馆工作空间范围和文献拾取的定位精确性方面都得到大幅度提高[5]。1965年德国人斯图尔特发明了六自由度并联机构。1978年澳大利亚著名机构学的亨特教授提出，可以将并联机构用于机器人的机械手臂设计中。并联机构与串联机构相比，在结构方面具有刚度大和结构稳定的特点，在定位精度方面具有重复定位精度高和微动精度高的特点，在承载负荷方面具有承载能力大和运动负荷小的特点，在速度和动态性方面具有反应速度快和动态性能好的特点，加之并联机构擅长反解的特性更适合机器人的实时在线计算，所以采用并联机构的机器人手臂设计往往用于精密紧凑的应用场合。并联机器人手臂具有快速准确拾取物体的显著特点，可以被用于图书馆需要进行精确地自动拾取文献的图书馆智能化文献自动拾取机器人上。

（三）机械手夹持器的设计

图书馆智能化文献自动拾取机器人机械手夹持器的设计，要根据图书馆文献的排架方式来确定。图书馆智能化机器人在拾取文献时一般会遇到三种文献的排架情况：单册定位排架、疏松型排架和紧密型排架。单册定位排架以每册书为一个单位设计的排架存放空间，难以适应一般图书馆大量文献的书架排架方式，目前主要应用于24小时自助图书馆的少量文献排架。在这种排架方式的情况下，由于文献自动拾取机器人机械手夹持器的操作，仅仅是针对固定架格中的单册文献，其拾取操作最为简单。疏松型排架的文献，文献自动拾取机器人机械手夹持器的操作相对简单，这是因为当排架文献之间较为疏松时，更便于机械手夹持器的灵活进退。而对于目前大多数图书馆采用的紧密型文献排架方式而言，文献自动拾取机器人机械手夹持器的操作要复杂得多。在设计中需要在夹持器的末端增加具有智能化文献自动拾取力觉感知系统的执行器来感知和适应目前的图书馆紧密型文献排架方式，以提高机械手夹持器自动拾取文献的力度和灵活性。

三、图书馆智能化文献自动拾取机器人机械手整体设计案例

（一）机械手的特性

图书馆文献自动拾取机器人机械手的工作区域范围，是由电机的两方面因素综合决定的，即电机的旋转运动轨迹和丝杠的直线运动轨迹。因此，在设计时要同时选用由直线移动副和旋转转动副执行机构所构成的复合运动副结构。直线移动副是由一个直流电机配合一个丝杠来实现，旋转转动副可由三个直流电机实现。文献自动拾取机器人机械手的工作部分，一般是由电源部分、控制器部分、机械臂部分以及传感器云台共同组成。其中机械臂是由固定基座、机械大臂、机械小臂、机械手及其手腕关节等部分组成，显然六自由度比四自由度的机械臂具有更大的作业纵深空间范围[6]。在图书馆文献自动拾取机器人工作过程中，机器人先要进行目标文献所在位置的信息数据获取，根据目标文献位置的信息数据自主调整机械手的位置姿势，从而实现对目标文献的精确定位、适度抓取、有效夹持、空间运移和定位排架。文献自动拾取机器人的所有运动关节都由直流电机驱动，每个电机都带有减速箱和码盘反馈系统，可以实时反映各关节所对应的准确位置。

（二）机械手的机构设计

在文献自动拾取机器人机械手的机构设计中，机械臂是由丝杠和导轨组成的直线运动结构起作用，其长度变化由二者之间的相对位置决定。机械手被安装在丝杠平台上，它同时也是夹持器的运动平台。在丝杠的平台处固定安装有两个机械手夹持器用电机，夹持器的安装位置是随着电机的固定而确定的。机械手的主要部件分为两套，即分书器和分书电机、夹书器和夹书电机。分书器与夹书器之间通过连杆铰接，分书电机与夹书电机固定安装在丝杠的云台位置。分书电机与夹书电机运动状态相互配合，它们之间的机械运动就构成了机械手夹持器的分书、夹书、取书和存书等一系列文献自动拾取的复杂动作。当分书电机带动分书器丝杠转动时，夹书器电机不转动，这样就使得分书器的连杆处于张开状态。当分书器张开的角度与图书的厚度相同时，夹书器也张开到同样的宽度，此时，机械臂继续伸出，将图书送达书架的最佳位置。同时，夹书器电机开始工作，带动夹书器的丝杠转动，使得夹书器向外运动，并持续呈现为张开状态。此时会产生两种不同的情况，一种情况是分书器两侧图书架上的图书被分开，另一种情况则是夹书器张开。当连杆与夹书器超过直角状态时，它对图书的夹持力量会逐渐减小，当角度大到一定程度时，夹持力会减小为零。此时，机械臂会收回，夹书器与分书器也会依次进入闭合状态。

（三）机械手的尺寸设计

文献自动拾取机器人机械手的尺寸大小极其灵活性，将直接决定机器人能否顺利地从书架上拿取文献以及上架文献。机械手的设计尺寸大小，要充分考虑到适应图书馆各种文献的尺寸大小。在一般情况下要设计三种尺寸类型，即最大尺寸类型、常用尺寸类型和最小尺寸类型。最大尺寸类型，有图书馆过刊装订的合订本以及建筑艺术类的特种大尺寸文献。常用尺寸类型有在图书馆中占有量最大的32开和16开尺寸文献类型。最小尺寸类型有图书馆中的64开及其它小尺寸文献。还有一些超薄的文献尺寸类型，如书脊很薄，或根本没有书脊的超薄文献尺寸类型。在文献自动拾取机器人机械手夹书器的内侧，我们应设计安装两块面料质地较为粗糙的纤维材料，目的是增加夹书器与文献之间的摩擦力，防止在拾取过程中出现文献滑脱，尤其是在目前图书馆有相当高比例光面压膜装文献的现实情况下更是如此。另外，在机械手的模块化控制设计过程中，应考虑的重要因素是电机的负载问题。设计目标既要保证机械手有足够的力矩输出实现对文献的有效拾取，又要防止由于电机自身过重带来额外的内部消耗。

四、结语

图书馆智能化文献自动拾取机器人技术的开发与应用，给图书馆文献资源管理工作中的典藏环节以及图书馆读者服务工作中的流通环节都带来了巨大的变革。随着更多图书馆智能化机器人技术的应用与普及，图书馆将会以全新的智能化面貌面向读者，为读者带来更加便捷的服务，为图书馆节约更多的人力资源，图书馆就可以有更多的人手从事更具有创造性和独特专业性的数字化文献资源管理工作和数字化文献资源服务工作。

[1]方建军,张晔.图书馆图书自动存取机器人的研究与应用[J].图书馆建设,2012(7).

[2]赵晋芳,张海华,郭太君.一种图书搬运机器人的设计[J].福建质量管理,2016(4).

[3]李双岑.服务机器人移动平台的设计[J].电子世界,2017(1).

[4]机器人找书路径最短,南大图书馆有了“最强大脑”[EB/0L].http://www.chnlib.com/News/2017-02/98300.html.

[5]周毅钧,陈勇明.工业机器人拾取系统[J].化学工程与装备,2016(10).

[6]王宏,杨志成,任惠荣.图书上下架机器人的结构设计及其机器手的样机试验[J].电子世界,2017(2).

G250；TP399

A

1005-9652（2017）04-0123-03

（责任编辑：虞志坚）

朱晓霞（1980-），女，青海民和人，铁道警察学院图书馆馆员，研究方向：图书馆读者服务。