圖書識(shí)別整理機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研發(fā)

徐彬 溫秀蘭 黃濤 陳一心

摘? 要：文章設(shè)計(jì)一種圖書識(shí)別整理機(jī)器人，該機(jī)器人利用CCD進(jìn)行循跡移動(dòng)來進(jìn)行路徑規(guī)劃，使用RFID技術(shù)識(shí)別圖書電子標(biāo)簽，獲取圖書相關(guān)信息，采用多聯(lián)動(dòng)舵機(jī)組成機(jī)械臂對(duì)書籍進(jìn)行抓取，實(shí)現(xiàn)圖書的取放與整理，并利用圖像回傳實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行。該機(jī)器人能夠識(shí)別圖書信息并判斷圖書存放位置，將圖書歸還書架，減少管理人員的工作量，提高圖書整理的工作效率，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：CCD;RFID;機(jī)器人;圖書整理

中圖分類號(hào)：TP242? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）10-0045-03

Abstract： This paper designs a book recognition and sorting robot. It uses CCD to track the path and RFID technology to identify the electronic label of the book and obtain the related book's information. The mechanical arm consists of multi-linking steering gear to capture the book and finish the pick-and-place and arrangement of books. The image is real-time monitored to ensure the robot stable operation. The robot can identify the book information and achieve the storage location of the book， and return the book to the bookshelf. Therefore， it can reduce the workload of the management staff， improve the efficiency of the sorting of books and has a broad application space.

Keywords： CCD; RFID; robot; book sorting out

1 概述

隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，現(xiàn)代圖書館規(guī)模、館藏書籍?dāng)?shù)量都大大增加，而目前圖書館書籍整理工作還大多由人工來完成，工作效率低，錯(cuò)放圖書的情況也時(shí)有發(fā)生，不利于讀者繼續(xù)借閱。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等眾多先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，采用智能化的圖書整理也必將是未來智能圖書館建設(shè)的重要發(fā)展趨勢(shì)。實(shí)現(xiàn)書籍整理的自動(dòng)化，能夠減少圖書館工作人員的工作量，提高工作效率及降低錯(cuò)誤率。

目前，國(guó)內(nèi)已有關(guān)于圖書館機(jī)器人相關(guān)的理論與實(shí)踐研究。在開始的初探中，主要研究功能單一的圖書館管理機(jī)器人，但隨著眾多先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)智能機(jī)器人在圖書館方面的應(yīng)用和技術(shù)研究也逐步興起。在結(jié)構(gòu)方面已出現(xiàn)多種形式，主要有基于分布式的圖書整理機(jī)器人系統(tǒng)[1]和基于主從式的智能圖書整理機(jī)器人[2]。為滿足圖書館發(fā)展需求，有將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到智能圖書館的建設(shè)中[3]，也有對(duì)書籍抓取行為的機(jī)械結(jié)構(gòu)和算法程序做詳細(xì)具體的研究設(shè)計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用方面，現(xiàn)代圖書館機(jī)器人大多是咨詢服務(wù)類的為主，主要有清華大學(xué)圖書館的智能聊天機(jī)器人“小圖”[4]、南京大學(xué)超高頻RFID智能圖書盤點(diǎn)機(jī)器人[5]。

本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人可以在無人干預(yù)的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)行人和物品的避讓以及對(duì)行駛路徑進(jìn)行最佳規(guī)劃，并通過機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)圖書的拾取與放置。通過對(duì)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、圖書感應(yīng)識(shí)別和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了一種完全自主識(shí)別、運(yùn)輸以及放置圖書的圖書識(shí)別整理機(jī)器人的設(shè)計(jì)。在此過程中極大地解放勞動(dòng)力，提高圖書整理的準(zhǔn)確性，并且該機(jī)器人可以在圖書館閉館后自主完成工作，提高了圖書館圖書整理的工作效率，在未來的智能圖書館的建設(shè)中起著重要的作用。

2 整體方案設(shè)計(jì)

機(jī)器人功能結(jié)構(gòu)如圖1所示，該功能結(jié)構(gòu)由操作層、控制層和運(yùn)動(dòng)層三部分組成。操作層為上位機(jī)，完成圖書信息、機(jī)器人位置信息顯示和圖像監(jiān)測(cè)的功能?？刂茖影漭蓪?duì)寄存書架書籍間隙進(jìn)行圖像處理， RFID對(duì)圖書信息進(jìn)行識(shí)別;STM32通過CCD和紅外模塊的數(shù)據(jù)信息來控制電機(jī)和舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和機(jī)械臂的控制。樹莓派將采集到的圖書信息和機(jī)械手需要運(yùn)動(dòng)的距離信息通過通訊模塊發(fā)送至STM32，經(jīng)處理后，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的路徑規(guī)劃和機(jī)械臂的控制，同時(shí)將運(yùn)動(dòng)信息反饋到樹莓派，并傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行顯示。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示，由機(jī)械臂、升降平臺(tái)和運(yùn)動(dòng)模塊三部分組成。機(jī)械臂由多個(gè)舵機(jī)通過連接件將其連接成可以在四周范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)裝置，并在機(jī)械臂上安裝有RFID模塊，抓書環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的機(jī)械爪對(duì)書籍進(jìn)行抓取。機(jī)械臂固定在升降平臺(tái)上，控制機(jī)械臂的上升和下降。運(yùn)動(dòng)模塊由四個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)器控制相應(yīng)的車輪構(gòu)成。這種機(jī)械設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)靈活、穩(wěn)定性和工作效率高的特點(diǎn)。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 圖書識(shí)別模塊

該模塊采用MFRC-522 RFID傳感器和Raspberry Pi v2攝像頭，實(shí)現(xiàn)圖書信息識(shí)別和處理的功能。MFRC-522放置在機(jī)械臂的前端，采用13.56MHz非接觸式通信，圖書信息處理采用ISO14443A協(xié)議，與主機(jī)之間采用SPI模式通信，能夠快速有效識(shí)別圖書信息并將數(shù)據(jù)傳輸至微處理器進(jìn)行處理。Raspberry Pi v2攝像頭安放在升降臺(tái)的下端，圖像處理采用Opencv，通過一系列圖像預(yù)處理進(jìn)行圖像平滑對(duì)圖書縫隙進(jìn)行檢測(cè)，再通過邊緣處理和直線檢測(cè)識(shí)別出書本之間的

空隙位置信息，通過圖像上圖書與機(jī)械臂的距離和寄存書架進(jìn)行類比，精確控制圖書與機(jī)械臂之間的距離，保證圖書的準(zhǔn)確抓取。

4.2 運(yùn)動(dòng)控制模塊

運(yùn)動(dòng)控制模塊由路徑檢測(cè)引導(dǎo)和運(yùn)動(dòng)控制構(gòu)成，路徑檢測(cè)引導(dǎo)通過CCD對(duì)地面上的白色引線進(jìn)行識(shí)別和紅外傳感器對(duì)路口實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)完成機(jī)器人的精確定位。運(yùn)動(dòng)控制由四個(gè)直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)四個(gè)車輪構(gòu)成，通過陀螺儀對(duì)方向?qū)崟r(shí)檢測(cè)，通過編碼器實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度的精準(zhǔn)控制。

5 控制軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人軟件控制流程如圖3所示。通過樹莓派的大數(shù)據(jù)處理能力，將圖像上傳和圖像識(shí)別技術(shù)融為一體，通過在樹莓派上建立的書籍?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)并利用RFID對(duì)圖書進(jìn)行識(shí)別判斷，并將數(shù)據(jù)信息傳遞至STM32微處理器，其利用CCD攝像頭對(duì)地下白色引線進(jìn)行識(shí)別以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的路徑引導(dǎo)和規(guī)劃，使用的CCD攝像頭時(shí)序?yàn)?ms。通過程序設(shè)定的變量i對(duì)路口的數(shù)量信息進(jìn)行累加，由此判斷書籍應(yīng)存放的具體書架，完成書籍的整理工作。

機(jī)器人行駛的轉(zhuǎn)向控制是基于四輪驅(qū)動(dòng)輪式差數(shù)轉(zhuǎn)向原理設(shè)計(jì)，在機(jī)器人速度算法方面，使用了魯棒性很好的經(jīng)典PID控制算法，在此基礎(chǔ)上配合使用理論計(jì)算和實(shí)際參數(shù)補(bǔ)償?shù)姆椒?，使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定。在實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)由于場(chǎng)地摩擦力不同，左右二側(cè)電機(jī)性能的微弱差異以及驅(qū)動(dòng)電路運(yùn)行時(shí)電壓出現(xiàn)的微小偏差，結(jié)合實(shí)際情況在PID控制的基礎(chǔ)上給左側(cè)電機(jī)加以相應(yīng)的速度補(bǔ)償，其具體補(bǔ)償為pwm*pwm*8/300+pwm/100，其中pwm為電機(jī)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種能夠自主識(shí)別圖書信息并將圖書進(jìn)行整理的機(jī)器人。該機(jī)器人采用STM32和Raspberry Pi作為主控單元，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)避障及循線移動(dòng)，對(duì)圖書進(jìn)行抓取及識(shí)別圖書位置信息，并通過實(shí)時(shí)圖像檢測(cè)保證機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是，在沒有人為干預(yù)的情況下，機(jī)器人能夠自主地對(duì)所需整理的圖書進(jìn)行抓取、信息識(shí)別以及存放，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了設(shè)計(jì)方案的可行性與正確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]晁艷普.基于分布式結(jié)構(gòu)的圖書整理機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2018，39（03）：44-47.

[2]張振，張琪，王新，等.基于主從式結(jié)構(gòu)的智能圖書整理機(jī)器人的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2014，22（03）：120-123.

[3]王躍虎，劉彥慶.一種基于物聯(lián)網(wǎng)和機(jī)器人技術(shù)的智能圖書館[J].圖書館工作與研究，2012（03）：29-32.

[4]姚飛，張成昱，陳武.清華智能聊天機(jī)器人“小圖”的移動(dòng)應(yīng)用[J].現(xiàn)代圖書情報(bào)技術(shù)，2014（Z1）：120-126.

[5]沈奎林，邵波，陳力軍，等.基于超高頻RFID的圖書盤點(diǎn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].圖書館學(xué)研究，2016（07）：24-28.