圖書上下架機器人的結構設計及其機器手的樣機試驗

北京聯合大學生物化學工程學院 王 宏 楊志成 任惠榮

圖書上下架機器人的結構設計及其機器手的樣機試驗

北京聯合大學生物化學工程學院 王 宏 楊志成 任惠榮

在分析了現有的圖書館機器人的基礎上，提出了一種可重構變形的圖書上下架機器人。將機器人分為機器手、升降機構和行走機構三部分，并對各部分的功能、結構和尺寸進行了分析。依照設計方案制作了機器手樣機，并對機器手樣機進行了實驗室拿取圖書的實驗，實驗效果達到預期目的。

圖書館機器人；結構設計；重構變形；樣機試驗

目前全國圖書館、檔案館的規模在發生日新月異的變化。圖書的日常管理中，分類、運輸和上下架等作業需要花費大量的人力和物力，難免會出現圖書分類錯誤和倒書錯誤。一些國家在圖書館機器人方面進行大量研究。在2002 年美國猶他州J.Willard Marriott 圖書館成功地研制了一種大型自動圖書存取中心（Automated Retrieval Center，簡稱 ARC）。它采取立體化倉庫設置[1]。搬運機器人在德國洪堡大學圖書館和日本大阪市立大學圖書館中已經得到應用[2]。美國約翰·霍普金斯大學的研究人員提出了一種完整意義上的圖書館機器人[3]。2010年底，在北京、上海、廣州、深圳、鄭州、鄂爾多斯等人口密集地區，相繼推出了微小型自動化圖書庫[4]。

但是，現有的圖書館機器人普遍存在的問題是：機器手不夠專業，無法用一只手在密集的書本之間對書本自主進行上下架操作；機器人相對矮小，無法碼放書架高層的圖書；常規四輪行走機構在較窄的運動空間中改變位姿困難，機器人與書架之間的相對位姿不易控制。

1.圖書上下架機器人的整體設計

針對上述機器人出現的問題，根據TRIZ（theory of inventive problem solving）意譯為發明問題的解決理論。提出一種可以重構變形機械結構的機器人，圖書上下架機器人結構簡圖如圖1所示。它的主體由圖書上下架的機器手部分、升降部分和行走部分組成。

圖1 圖書上下架機器人結構簡圖

2.機器手機構的分析設計

2.1 機器手機構的特性分析

圖書館機器人機器手的工作區域由電機的旋轉運動軌跡和絲杠的直線運動軌跡而確定，因此選用執行機構為轉動副和移動副構成的復合運動副。轉動副由三個直流電機實現，移動副由一個直流電機和一個絲杠實現[5]。工作部分具體由四自由度機器臂、電源、控制器以及傳感器云臺組成。其中機器臂由基座、大臂、小臂、腕關節和手等部分組成，顯然四自由度的機械臂有很大的作業空間。在工作過程中，機器人先要進行目標圖書所在位置獲取，根據目標圖書位姿信息自主調整機器手的位姿，實現對目標物體的精確定位、抓取、夾持、搬運與碼放。機器人的所有關節都由直流電機驅動，每個電機都帶有減速箱和碼盤反饋，反應各個關節所對應的位置[6]。

2.2 機器手機構的設計

如圖2所示，絲杠相當于機器臂。它由絲杠和導軌組成，它們之間相對位置變化決定了機器臂的長度。機器手安裝在絲杠平臺上，機器手也是機器手指的運動平臺。手指部分如圖2所示。絲杠平臺處固定兩個手指電機，固定了電機就確定了手指的安裝位置，固定方式可以采用螺栓連接[6]。

圖2 機器手結構簡圖及受力分析圖

機器手主要包括：分書器、分書電機、夾書器、夾書電機等部件。分書器與夾書器之間通過連桿耦合鉸接，分書電機與夾書電機安裝在絲杠云臺上，位置固定。將電機的運動狀態分為：停止、正轉、反轉。兩個電機運動狀態進行耦合，它們之間的機械運動構成了分書、夾書、取書、存書等復雜運動。電機運動與機器手運動狀態對照如表1所示。

表1 電機運動與機器手運動狀態對照表

機器手結構如圖3所示。分書電機帶動分書器絲杠轉動，而夾書器電機不轉動，使得分書器連桿張開，分書器連桿與夾書器連桿之間有4個連桿連接。當分書器張開到與書同厚時，夾書器也張開到同樣寬度，伸縮臂繼續伸出，將書送達書架最里層。夾書器電機開始工作，帶動夾書器絲杠轉動。使得夾書器向外運動并繼續張開。此時有兩種情況產生，一是分書器兩側圖書架上的圖書被分開；二是夾書器張開到連桿與夾書器超過90o角時，夾書器對圖書的夾力逐漸減小，角度大到一定時減小為零，伸縮臂收回，夾書器、分書器依次閉合。

圖3 機器手結構示意圖

2.3 機器手的尺度分析

機器手的大小決定機器人能否順利地拿取圖書、存放圖書。它的大小取決于市場通用圖書的大?。阂源?6K精裝書成品尺寸： 297毫米╳210毫米╳20毫米為例。機器手一般拿捏圖書中間位置最為穩定。機器手分書器為125毫米，夾書器大小為110 毫米。連桿長度為15毫米，在夾書過程中可以超過書本的厚度，不會夾書過程中損壞書皮。夾書器內部裝有兩塊麻糙布塊，以增加夾書器與書籍之間的摩擦力，防止圖書滑落。

在機器手的控制中，電機的負載是考慮的重要因素。為了保證機器手有足夠的力矩輸出對書籍存取，還要防止電機過大，自身重量也大，給上一級造成內耗。將上述雙連桿機構分解為兩個單環機構，一個單環受力分析圖所示。其約束條件為：

R為電機輸出軸的半徑，l為輸出軸到兩個支點距離之和的一半。

由于連桿的轉動慣量較小，可以忽略不計，因此，電機在輸出軸上的力為：

A為加速度，P0為0支點反作用力，P1為1支點反作用力。

輸出軸的角速度為：

經過上述分析，通過實驗可以確定電機力矩大小，從而設計電機的大小和型號。

3.試驗與結論

3.1 機器手樣機試驗

通過試驗，可以檢驗項目設計的各個結構是否符合設計要求，同時發現設計的不足，并加以改進，提高研究項目的功效。在本試驗中，主要驗證機器手的動作，因為單手符合鉸接機構作為機器手被首次提出，因此它是試驗的關注重點。

實驗步驟：首先按照設計要求，制作機器手樣機，樣機如圖(a)所示；對兩個直流電機進行通電試驗，機器手順利地夾持圖書，夾書效果如圖(b)所示；機器手是以機器臂為平臺工作的，圖(c)和圖(d)是在機器臂平臺上做的聯動實驗。

3.2 結論

圖書上下架機器人融合了機械技術、電子技術、傳感器技術和信息技術等學科。圖書上下架機器人機構設計簡單，易于進行電氣控制；實現了四輪行走機構與書架之間的相對位姿控制問題；達到了用一只手在密集的書本之間對書本進行上下架操作；解決了對書架高層圖書的碼放問題。試驗驗證了樣機的有效性，完成了預期目標。

[1]崔建偉,宋愛國,莊皓蘭,等．機器人技術在圖書館自動化系統中的應用研究[J]．機器人技術與應用,2009(06):18-20．

[2]圖書館機器人[J/OL]．2008-04-08 [2014-03-21]．http:// blog．sina．com．cn/s/blog_4978019f01008w1q．html．

[3]Suthakorn J,Lee S,Zhou Yu,et al．A Robotic Library System for an Off-Site Shelving Facility[C]．Washington DC:Proceedings of the2002 IEEE International Conference on Robotics & Automation,2002:3589-3594．

[4]方建軍,張曄．圖書館圖書自動存取機器人的研究與應用[J]．圖書館建設,2012．7:79-81．

[5]楊志成,張利霞,張景勝．圖書上下架機器人:中國,20111007408．6[P]．2011-3-25．

[6]楊志成,張景勝,張利霞．圖書上下架機器人機器手控制器設計與實現[J]．現代制造工程,2011．4:42-45．

王宏，女，北京聯合大學，實驗師，研究方向：自動控制。

楊志成，男，北京聯合大學，高級實驗師，碩士，研究方向：機械設計與控制。