基于單片機(jī)控制的圖書館機(jī)器人的開發(fā)

王濱， 韓丹， 李思遠(yuǎn)， 夏建邦， 關(guān)心同， 殷彤， 白家振， 王立新， 鄭元松

（1.大連豪森瑞德設(shè)備制造有限公司，遼寧 大連 116036;2.大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 大連 116034）

0 引言

目前，找書難、上架難、移架難等問題是圖書館管理面臨的主要問題。主要的解決途徑是圖書館自動存取技術(shù)。就目前的發(fā)展水平來看，圖書館自動存取技術(shù)可分為3 類［2］：1）自動化的系統(tǒng)被實(shí)現(xiàn)在單個書架中；2）圖書館整體實(shí)現(xiàn)自動化的立體化倉儲系統(tǒng)；3）“移動機(jī)器人＋機(jī)械手”的組合系統(tǒng)［3］。前兩種方案，圖書館需要更換全部設(shè)備，成本很高，并且日常管理較為復(fù)雜。第三種方案制造成本低，靈活性好。

本文采用“移動機(jī)器人＋機(jī)械手”的設(shè)計(jì)思路，研發(fā)了以單片機(jī)為核心的圖書館移動機(jī)器人系統(tǒng)，這款機(jī)器人具有成本低廉，擴(kuò)展簡單，具有較高的靈活性及穩(wěn)定性等特點(diǎn)，可以在書架間靈活行走，發(fā)生故障時，能夠停止行走，等待修復(fù)，而圖書館仍然能正常開放［4］。

圖1 圖書館移動機(jī)器人

1 工作原理

移動機(jī)器人系統(tǒng)如圖1所示，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)主體、運(yùn)輸車及控制系統(tǒng)，能夠完成 3個方向（x、y、z）的運(yùn)動：橫向運(yùn)動（x）由小車及實(shí)心滑軌組成，小車由伺服電機(jī)提供動力，單片機(jī)控制行進(jìn)和停止，能夠定位貨物x軸坐標(biāo)位置；縱向運(yùn)動（z）由滑軌、機(jī)械臂整體、線軸部分組成，電機(jī)提供動力，單片機(jī)控制機(jī)械臂升降，能確定貨物在z軸的位置；前后運(yùn)動（y）部分由機(jī)械臂和氣動手指組成，單片機(jī)控制電磁閥換向，實(shí)現(xiàn)手臂運(yùn)動及手指夾緊。

圖2 夾取機(jī)構(gòu)

圖3 氣動手指

2 機(jī)械手設(shè)計(jì)

機(jī)器人的機(jī)械手具有水平方向、豎直方向、x方向3個自由度。并在末端安裝了可完成抓、放動作的手爪。夾取部分由氣動機(jī)械臂（如圖2）和特制夾頭（如圖3）組成。氣動機(jī)械臂是一個標(biāo)準(zhǔn)氣缸件，它的行程為200 mm。連接氣泵后，通過電磁閥的控制，氣缸內(nèi)的活塞可以做伸縮運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)了手臂的自由伸縮。氣缸座用3 mm厚鋁板制成，上下滑軌采用φ16空心直管，這可節(jié)約材料，同時減輕上部的重量，降低了負(fù)載。

橫向運(yùn)動部分由小車和滑軌組成，如圖4所示。橫向小車是橫向運(yùn)動的動力源和信號源，因?yàn)槠鋬?nèi)部裝有電池這樣的能源裝置，還有電路板、單片機(jī)這樣的控制裝置，同樣裝有電機(jī)這樣的執(zhí)行元件，通過電池供電和單片機(jī)的有效控制，可以實(shí)現(xiàn)有規(guī)律的橫向運(yùn)動，最終可使整體機(jī)構(gòu)可以在滑軌上隨意定位和移動。橫向小車通過連接兩個滑塊固定于橫向滑軌上，這樣才能實(shí)現(xiàn)一個自由度方向上的橫向平移?；壊捎玫氖卿X合金實(shí)心管，強(qiáng)度高，表面光滑，直徑為16 mm，長度為1 500 mm。采用兩根導(dǎo)軌目的是使裝置底部更加穩(wěn)定，機(jī)械運(yùn)動更為精確，滿足了橫向運(yùn)動的行程與小車的穩(wěn)定性。

縱向運(yùn)動（圖5）由電機(jī)線軸部分和滑軌組成。通過電機(jī)轉(zhuǎn)動和線軸轉(zhuǎn)動帶動機(jī)械手臂上下平移。上下運(yùn)動使用電機(jī)帶動繩索升降，電機(jī)要與線軸配合，帶動繩索轉(zhuǎn)動，繩索連接與夾取部分的裝置上。這樣通過電機(jī)的轉(zhuǎn)動就可以實(shí)現(xiàn)縱向運(yùn)動了。此方案的優(yōu)點(diǎn)是動作易于控制，同時大大降低了成本，所實(shí)現(xiàn)的效果也比較理想?？刂茩C(jī)械臂上下運(yùn)動電機(jī)轉(zhuǎn)速為44 r/min，控制取書部分左右運(yùn)動的電機(jī)轉(zhuǎn)速為120 r/min.鑒于機(jī)械臂每次只需夾取一個貨物，取書部分的誤差較大（約為±5 mm左右），但仍能保證準(zhǔn)確地取到貨物。

圖4 橫向移動機(jī)構(gòu)

圖5 縱向移動機(jī)構(gòu)

3 自動導(dǎo)向小車

在圖書館內(nèi)進(jìn)行圖書搬運(yùn)和機(jī)械手定位的圖書館智能小車，也可以被稱做圖書AGV。在機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的分析中，通常將移動機(jī)器人的工作環(huán)境分為結(jié)構(gòu)化環(huán)境和非結(jié)構(gòu)化環(huán)境。圖書館是一個結(jié)構(gòu)化非常明顯的空間。各個書架的相對位置都是固定的，并且不會改變。所以可以使用相對成熟的固定路徑導(dǎo)向技術(shù)。

根據(jù)以上要求，本文設(shè)計(jì)了圖書館自動導(dǎo)向小車。車內(nèi)部裝有電池、單片機(jī)、光電傳感器、電路板等裝置。小車?yán)蒙珮?biāo)開關(guān)識別路徑，準(zhǔn)確地將書送到輸出端。小車底板與地面成傾斜30°角，能使放入的書籍整齊排列并不易滑落。設(shè)計(jì)合理的光電反饋控制其起停。

3.1 小車結(jié)構(gòu)

如圖6所示，通過光電傳感器與單片機(jī)之間的信號傳輸與轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對雙輪差速轉(zhuǎn)彎電動車的控制。由于直流電機(jī)具有轉(zhuǎn)動力矩大、質(zhì)量小、裝配使用方便等優(yōu)點(diǎn)，故采用空心杯直流電機(jī)。由于高速電機(jī)系統(tǒng)要求較高的控制精度，通過用光電傳感器尋軌的方式可以實(shí)現(xiàn)，并且具有原理簡單、價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，可集發(fā)射器和接收器于一體，能完成需要的信號檢測功能。

圖6 運(yùn)輸車

3.2 地面制導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)

色標(biāo)開關(guān)在白色地面時輸出5 V高電平，在黑色制導(dǎo)帶上輸出低電平。光電開關(guān)的反應(yīng)時間短，可以提高系統(tǒng)的控制精度。整個操作過程通過實(shí)時信息的采集和端口查詢，可實(shí)時對信號檢測與處理。

在設(shè)計(jì)運(yùn)輸系統(tǒng)的過程中，力求線路簡潔，憑借軟件的靈活性來滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。以單片機(jī)為核心元件，光電檢測技術(shù)和軟件算法可實(shí)現(xiàn)電動小車在黑色軌跡上的靈活運(yùn)動。運(yùn)輸車采用四輪驅(qū)動，四輪電機(jī)驅(qū)動采用功率放大管，通過單片機(jī)提供的控制信號進(jìn)行修改對電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)向進(jìn)行靈活簡潔地控制，使其回到黑色軌跡上運(yùn)動。在運(yùn)動過程中，三個固定在輪子下的反射式傳感器引導(dǎo)電動車沿著白色軌跡運(yùn)行。當(dāng)車偏離運(yùn)動軌跡(超出黑線)時，反射光較弱，單片機(jī)接收到輸出的高電平，系統(tǒng)被迫中斷并調(diào)整兩個電機(jī)轉(zhuǎn)向，使車再次回到軌跡。車前后兩側(cè)的傳感器用來檢測小車運(yùn)動過程中是否達(dá)到指定地點(diǎn)。此外用來檢測平衡的傳感器固定在蹺蹺板支架上，若紅外三極管因指針遮擋住傳感器中心軸而接收不到紅外光，輸出送給單片機(jī)則變?yōu)楦唠娖?，小車便停下來，說明平衡位置找到了。小車運(yùn)行軌跡圖如圖7。當(dāng)運(yùn)輸車直線行走時（圖7（a）），光電全滅；當(dāng)運(yùn)輸車拐彎時（圖 7（b）），光電全亮。

4 控制系統(tǒng)

Arduino是一個開源的單片機(jī)電子設(shè)計(jì)平臺，其作為集成開發(fā)環(huán)境的最大特點(diǎn)就是簡單易用。Arduino控制板根據(jù)檢測到的紅外信號，輸出具有制定控制策略的PWM信號，調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，最終實(shí)現(xiàn)控制小車的運(yùn)動軌跡。

圖7 智能小車運(yùn)動軌跡

取貨部分設(shè)計(jì)采用閉環(huán)系統(tǒng)控制，閉環(huán)部分采用光電編碼盤，連續(xù)發(fā)光的光電管不停地通過格柵，所以光電管接收端就能接收到和格柵通過頻率相同的光信號，通過光敏三極管的轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)為變化的電信號，從而測出取貨小車移動的速度與距離。接線圖如圖8所示。

圖8 編碼器參考接線圖

采用閉環(huán)控制［6］，通過小車行進(jìn)距離與給定值的偏差量進(jìn)行電機(jī)前進(jìn)控制，通過PID算法編程調(diào)控小車平穩(wěn)運(yùn)行前進(jìn)指定距離。部分代碼如圖9所示。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制的自動完成圖書上架工作的圖書館移動機(jī)器人系統(tǒng)，通過實(shí)際運(yùn)行測試，表明功能均滿足設(shè)計(jì)要求，并且控制系統(tǒng)的安全可靠，操作方便，節(jié)省了勞動力，從而大大提高了工作效率。

圖9

［1］ 崔建偉，宋愛國，莊皓蘭，等.機(jī)器人技術(shù)在圖書館自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2009（6）：33-35.

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