U-RT和UJI兩種圖書館機器人系統運行方式對比研究

莊新輝

（武夷學院 圖書館， 福建 武夷山 354300）

21世紀我們迎來了科學技術突飛猛進日新月異的新時代。近30年來，被稱為21世紀3大尖端技術（基因工程、納米科學、人工智能）之一的人工智能技術快速發展，使得機器人開始能夠勝任通常需要人類思考才能完成的復雜工作，如1997年5月，IBM公司研制的深藍（DeepBlue）下棋計算機戰勝國際象棋大師卡斯帕洛夫 （Kasparov）。借助人工智能技術 的發展，智能機器人開始出現并進入應用[1]。2016年3月谷歌圍棋人工智能AlphaGo（被中國棋迷戲稱為“阿爾法狗”）與韓國棋手李世石的最后一輪較量以前者獲勝結束，最終這場轟動全球的“人機大戰”的總比分定格在4∶1[2]。當今世界，機器人技術的應用已經涵蓋了工業制造、物流運輸、國防、家政和醫療等領域。在信息化浪潮中，圖書館雖然也進入了現代化計算機時代，但更多的應用是在信息流上的智能化，圖書館缺少以機械化為基礎的自動化，圖書的上下架、搬運、貼條碼、分類和查重等操作多數圖書館仍然依靠人工來完成[3]。據統計，一個圖書管理員在每天收回圖書的過程中，平均手腕和手臂要有32 000次動作，這樣的負擔和重復性勞動容易給圖書管理人員造成嚴重的職業病，其對圖書管理員的手指、腕關節、手肘、胳膊和項背等部位造成了嚴重的傷害[4]。重復性的機械性勞動不僅僅是對身體能造成傷害，對人的精神層面也是一種傷害。歐美發達國家對能代替人體力勞動的圖書館機器人的研究應用較多，早在1994年5月瑞典恩金爾茲維克市公立圖書館安裝了世界上第一個類人式機器人上下架圖書的處理系統[4]。本文主要闡述URT和UJI兩種圖書館機器人系統。這兩種機器人系統工作原理有各自的特點，根據其設計原理，能自主處理圖書，替代圖書管理員的工作，在沒有人干預下可以自主的檢索書籍，操作圖書上下架，也被稱為圖書管理員機器人。

1 U-RT機器人（the ubiquitous robot technology space）系統

U-RT機器人是日本筑波大學智能系統研究所Bong Keun Kim,Kenichi Ohara等人研制的圖書館機器人系統。

U-RT機器人系統具有無處不在的機器人視覺和環境智能能力，可以共享信息、知識，訪問分布在全世界的服務器和數據存儲設備;在日常的目標物體中通過埋設微處理器、執行器和傳感器，使這些目標體具有智能化。建立了基于RFID技術的泛在空間，實現了環境智能化。U-RT是ubiquitous robot technology三個英文單詞的縮寫，ubiquitous這個單詞谷歌翻譯為“普及 ”，百度翻譯為“無所不在的;普遍存在的 ”；美國的科學家早在80年代就開始試驗推廣“Ubiquitous”，當時還只有少數電腦專家知道這一研究計劃。和互聯網隨時鏈接的Ubiquitous網絡資訊社會是一個即使不意識到電腦的存在，也可在任何地方都可以隨時交換情報的社會[5]。也可以理解為現在比較流行的說法“泛在空間”。“泛在空間(Ubiquitous)”是隨時，隨地，任何人都可以自由地使用信息的場所。在這個場所中，不用刻意地操作便可使用各種各樣的信息，人和人、人和信息可以自由交流[6]。

U-RT機器人系統由圖書管理員機器人系統、智能書架系統和智能地板系統組成。通過多系統的整合實現圖書館的泛在空間功能。

1.1 U-RT機器人自身的組成

U-RT機器人自身是一臺裝備有托盤的移動平臺，在移動平臺上有7自由度的機械臂和抓手，在機械臂的握手上裝備有手眼系統（手眼攝像機和激光測距儀）、力扭矩傳感器、RFID標簽定位傳感器和RFID標簽閱讀器。這個抓手是由日本筑波大學智能系統研究所開發的，在抓取機器人身上的托盤中的書籍時，在這個操作過程中首先由RFID標簽閱讀器從數據庫中讀取信息來確定所要抓取的書籍的大致范圍，握手上的RFID標簽閱讀器讀取書籍上的RFID標簽信息后，從知識數據庫中檢索目標書籍的物理信息（書籍的長、寬、高、重量等數據）。依靠這些信息的反饋來決定機器人抓手張開的位置和抓手使用的力度。第二步由手眼系統通過圖像處理確定目標書籍的精確位置，書籍的精確定位是由抓手上的手眼視覺和激光傳感器來完成，機器人通過手眼視覺獲取托盤中的書籍的圖像后，通過簡單的圖像處理找到目標書籍的位置，由抓手上的力傳感器來調整抓手的力度，抓取目標書籍。最后由力扭矩傳感器來實現精確的抓取過程。

1.2 智能書架

泛在空間的建立離不開射頻識別技術（RFID）。它是物聯網中讓物品“開口說話”的關鍵技術，在物聯網中，RFID標簽存儲著規范而具有互用性的信息，通過無線數據通信網把它們自動采集到中央信息系統，實現物品的識別。[7-9]RFID標簽是最合適的信息傳遞者，它可以存儲和傳遞物體特殊的信息，通過無線頻率RFID標簽能傳遞身份和信息，這個特性可以使機器人感知空間和位置，也可以訪問目標的信息。每個RFID標簽都有自己的局域網地址，這可以讓機器人通過網絡訪問目標信息。通過在目標中植入RFID標簽可以實現環境智能。

U-RT機器人系統對RFID技術的應用開發有以下幾個方面：開發的智能書架運用了RFID技術，智能書架的每個隔斷都安裝有RFID標簽閱讀器，通過閱讀書籍RFID標簽信息可以知道書架中所有書籍的大致位置，識別書籍的分類，書籍位置的變化，對照知識數據庫中的相關信息，進而修改數據庫中書籍的狀態信息。書籍的標簽信息也被用來作為物理鏈接訪問存儲在集中式或分布式服務器中的所有有關信息。這個智能書架具有互聯網服務的功能，可以提供智能書架的當前狀態，在終端的電腦上顯示給讀者，并且可以發送電子郵件給終端使用者。它還是一個開放的系統，可以被基于RT-Middleware（機器人技術中間件）語言編寫的程序操作使用。

1.3 智能地板

在此研究中，智能地板是根據所在環境地面尺寸設計的。在地面設立直角坐標系，分別在X軸和Y軸方向埋設400片RFID標簽，標簽間隔為25 cm，這些坐標點被存儲在虛擬空間，這樣機器人就可以通過自身的數據庫和智能地板相互交流信息，利用這些坐標點組成的地圖來搜索定位。

圖1 U-RT空間地圖Figure 1 Map of the u-RTspace

圖2 地板標簽信息庫Figure 2 Floor tag information DB

1.4 StarLITE系統

這個系統被用來為機器人定位，其組成為機器人手眼系統CCD板攝像機（組成：廣角攝像頭、DSP圖像處理單元、IR通信單元）和安裝在天花板上的紅外線信標構成。通過這兩個系統建立的信息空間解決了機器人許多難題，如機器人本身的定位、路徑規劃和導航。通過RFID標簽連接現實和虛擬空間，機器人能感知環境目標，鎖定它們的位置[10]。

U-RT機器人系統通過機器人、智能地板、智能書架和用RT中間件編寫的操作程序實現了泛在空間功能，能穩定可靠的實現圖書的上下架操作。具有網絡互聯功能，通過網絡發布圖書的狀態信息給讀者，實現了即時反映圖書館中圖書的狀態。

2 UJI機器人系統

UJI是Universitat Jaume I（西班牙海梅一世大學）的縮寫，UJI機器人是西班牙 Mario Prats·Ester Martínez· Pedro J.Sanz·Angel P.del Pobil等人開發的一款圖書館機器人系統。

UJI機器人的基礎是型號Nomad XR4000機器人，它裝備有無線電以太網，兩個帶24個聲納和24個紅外線的環傳感器，保險杠和SICK激光測距儀。這個機器人安裝了有七個自由度的輕量級三菱PA-10機械手。機械手安裝有手眼結構的雙攝像頭的立體攝像機，六自由度的力傳感器安裝在平行夾手和末端執行器鏈接的腕部。還有一些紅外線距離傳感器貼在機械臂上。

通過整合應用不同的技術（例如立體視覺、視覺跟蹤、概率匹配、行動估計、多傳感器抓取、視覺伺服和混合控制等技術）這款機器人能在沒人類干預下，僅僅通過提供的貼在書脊上的編碼、圖書館地圖和關于它的一些邏輯知識等信息，利用時空限制和環境的規律性，在一個普通的圖書館自主定位書籍，利用手眼視覺和力傳感器從書架上抓取它并帶給使用者。

其工作流程由用戶界面、書籍定位、視覺模塊和書籍檢索等模塊的相互配合來完成。

2.1 用戶界面

這個系統首先有個基于互聯網的用戶界面，用戶通過這個界面傳遞想要尋找的書的編碼信息給機器人。界面的另一個用途是監視機器人的活動和對模糊書簽的人工識別。

2.2 書籍定位

書籍的定位是利用圖書館特征物來確定目標書架的位置，利用算法來輔助搜索在書架中的書籍；通過使用圖書館地圖控制移動機器人到達指定的位置。具體的定位行動是定義書架同質結構 （書架的行和列），定義合理的圖書館存儲模型數據結構，實物結構被映射到邏輯結構中,邏輯結構設置參數有：建筑物的數量；每個建筑中層數的數量；每層中書箱的數量，相關的位置和結構（列數、行數和尺寸）。每個書架中第一列最左上端的第一本書的編碼被存儲用來做邏輯書架特征物。當機器人接收到要找的書籍編碼信息后，機器人會把目標書籍編碼與這些邏輯書架的特征物對比，找到目標書架信息。邏輯書架位置信息在圖書館地圖中，機器人在圖書館地圖中鎖定放置目標書的書架。書架的位置鎖定后利用圖書館地圖來規劃路徑，指導移動平臺到達目標處。機器人導航的實現用到Player/Stage軟件，聲吶、紅外和激光測距傳感器來規避障礙。進一步提高導航的能力要用到基于貝葉斯方法的概率定位和占用網格映射等方法。利用圖書館特征物能找到目標書架，但是目標書籍的精確定位要用到視覺指導和智能搜索算法。

圖3 智能搜索書籍算法流程圖Figure 3 Flow chart of finding a book

2.3 視覺模塊

在書架中找到一本目標書籍的算法要用到視覺來定位、讀取和對比書簽。從圖像中讀取書簽要用到圖像分割、書簽跟蹤和光學字符識別（OCR）等技術方法。視覺模塊不僅能從單個的圖像中提取書碼，而且也能從一系列的圖像中提取書籍碼。

圖像的拍攝要用到平面估計的技術，UIJ機器人移動到目標書架前要保證有個好的拍攝視角拍攝書脊圖像，這樣圖像的處理才能更準確容易，當機器人位置不是理想的拍攝位置時，通過視覺計算調整攝像機對準書脊平面。計算的方法是利用針孔攝像機模型和極線幾何來聯系在3D結構投影的2D圖像信息。這個攝像機有兩個攝像頭在一個平面上，拍攝時有兩個角度圖像，通過對比找到相應點，通過最小標準方差法計算出平面。調整兩者處于最佳的位置。

在拍攝的圖像中鎖定書簽使用自動閾值分割算法。在拍攝的圖像中分割圖像，求出分割圖像的平均亮度，以此亮度值為中心建立二進制圖像，結果生成標簽的二進制圖像。

光學字符識別（OCR）用來提取圖像中的文字。書簽是用白紙黑字構成，通過分析亮度值，函數的最大值代表背景，函數最小值就代表了文字。通過這個方法鎖定書簽中的文字。

2.4 書籍拾取

目標書籍被找到后，視覺抓取系統用來提取書籍，它是用一個專門的平行狀的抓手和攝像頭組成。抓手有兩個特殊的指尖，指尖是很薄，適合插入書籍見的縫隙中，為減少難度，左邊的指尖比右邊的長，左邊的指尖先插入書籍間的縫隙，右邊的指尖后插入。具體過程是：用力/視覺控制法到達目標書籍抓取位置。找到書籍的左邊插入左手指尖，直到右邊的指尖觸碰到這本書。尋找書籍的右邊插入右邊的手指，這時候左端的手指保持在原位。這里用到了基于力和視覺伺服的聯合混合控制法，這控制法有兩個自由度，在平行方向利用書籍的邊緣做為視覺特征用基于圖像的視覺伺服。在垂直方向用力回饋傳感器，觸碰到書本后力感應開關打開。當接觸時，所有的抓取過程都是通過力反饋來引導。首先，機器人試圖找到在書左邊的縫隙，并插入較長的左指甲進去。力控制法使機器人向前施力，同時控制左側的運動。當左手指位于書脊上，機器人檢測到它不能向前移動時，它會向左移動，結合這個正面和橫向運動，我們使機器人遵循這本書表面向左。當找到書左邊緣時，機器人沒有感覺到任何力量，力量控制法則使其向前移動。在此步驟中，機器人不會移動，因為前面沒有障礙。為了插入左指尖，機器人總是試圖向前移動，當它不能完成時，它移動往左邊。按照這個策略，機器人很容易找到左邊的縫隙，當機器人檢測到其左指尖時相對于初始位置前進2厘米，它理解為第一個指尖已經是插入狀態。為了插入右邊的指尖，機器人仍然嘗試向前移動手指。如果找不到正確的分隔，它會感覺到書脊回饋的阻力，但是這次，不是向右移動，而是張開握爪，當發現書籍右側的縫隙時，手指可以自由前進，從而停止打開。再次，當機器人檢測到夾具手指前進時相對于首次接觸的初始位置為4厘米時，其認為兩只手指都成功插入，提取動作和抓取任務完成[11]。UJI機器人系統通過整合多種跨學科技術和運用多種智能算法實現了圖書上下架功能。

3 U-RT和UJI兩種圖書館機器人系統對比分析

U-RT機器系統由機器人、智能書架、智能地板、環境定位傳感器和中間件組成。是由機器人和環境組成的系統，通過廣泛利用RFID技術，在周圍環境中埋設RFID標簽、傳感器和微處理器實現了環境智能。執行任務時通過機器人和環境的互動交流來完成，機器人本身的結構相對來說比較簡單，更多的是依賴所處的智能環境，其發展的技術方向和物聯網、智慧城市等發展方向一致。對現代化、智慧型新圖書館舍的建設有借鑒。

UJI機器人系統整合了多種學科的技術，這些技術包括在線圖像分割、立體視覺、視覺跟蹤、概率匹配、行動估計、概率選擇、多傳感器抵達和抓取、視覺伺服和混合控制等。運用多種算法，UJI機器人系統僅通過外界提供的書籍編碼、圖書館地圖和一部分圖書館邏輯結構知識就能完成它的工作。UJI機器人系統在執行其任務時，對外部的條件依賴很少，通過自身的能力來完成任務，能在普通的圖書館中應用，不需要建造特殊的環境，適應能力強。雖然UJI機器人系統復雜，但其行為更具有類人的特征，對環境依賴少，應用范圍廣。隨著相關技術的發展成熟，成本會不斷下降，其發展更具有潛力。圖書館的環境是半結構化環境，環境有些是固定的，也有每天變動的隨機人、物，機器人導航、檢索、尋架、擺書、取書等行為操作都是比較精細復雜的，這和人類所處的日常生活情景相近，如果UJI機器人系統技術在圖書館中發展應用成熟，在其他領域也會成為人類好幫手。

4 結語

U-RT和UJI兩種自主圖書館機器人系統的運行方式代表了技術發展的兩個方向，一個是自身和環境組成系統，在建設機器人本身的同時，更注重對周圍環境的開發建設；另一個更注重自身的能力開發，對環境的依賴程度較低。在當今，機器人技術代表了科技發展的前沿，其在軍事、醫學、工業制造等多個領域都有廣泛的應用。相對其他行業，在圖書館的應用較少，特別是機械性的、能替代人類體力勞作的機器人研究應用更少。圖書館是技術、知識和信息的記錄和傳播者，也是文明發展的堅實基礎。在現今的信息社會，圖書館事業受到了現代技術的沖擊。圖書館的發展，很重要的一面是跟隨當前的前沿科學技術，這不僅是體現在知識文獻的存儲方面，現代化場館，自動化管理，圖書館機器人系統等開發應用亦是很重要的方面。

[1]夜風.全球智能機器人應用領域分析[EB/OL].[2013-08-29].http：//www.wjzs.org/news/html/20130829_14657.html.

[2]從“深藍”到“阿爾法狗”：人機大戰 20年進化史[EB/OL].[2016-3-29].http：//www.sohu.com/a/66573129_371013.

[3]劉瓊.圖書館機器人系統研究[C].杭州：第五屆全球智能控制與自動化大會,2004：4891-4893.

[4]HANSSON R.Robot lends a hand in a Swedish library[J].Industrial Robot,1995,22(5)：34-35.

[5]百度百科.Ubiquitous,社會 [EB/OL].[2017-7-30].https：//baike.baidu.com/item/Ubiquitous%E7%A4%BE%E4%BC%9A/834162?fr=aladdin.

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[11]MARIO P,ESTER M,PEDRO JS,et al.The UJI librarian robot[J].Intel Serv Robotics 2008(1)：321–335.