智能圖書分類機器人模型研究與設計*

陳黃飛，劉銳華，陳彩艷

(廣東工業大學 華立學院 機電工程學院，廣州 增城 511325)

圖書館的藏書眾多，即使是小型圖書館也會有上萬種藏書，多則是百萬種藏書，所以如何管理圖書是一個圖書館的首要問題。圖書館每天的人流量非常多，無論是圖書管理還是讀者管理都具有非常大的壓力，管理好圖書館需要對圖書進行分類保護，也方便讀者尋找書籍和文獻。既然每天有很大的人流量，必然會有很多圖書會被弄混，為了讓明天的讀者找到那些被弄混的書籍，圖書管理員需要將它們進行歸位，這將是一個非常大的工作量，這時圖書分類機器人就有了存在的意義，它可以將那些被弄混的書籍進行識別，然后準確定位并將書籍放置到指定位置。為解決高校圖書館管理員過高的勞動強度和效率低下的問題，將智能機器人應用到高校圖書館的日常管理中已經成為當前圖書館研究的熱門問題[1-2]。本文作者設計了一種六自由度的圖書分類機器人，通過紅外線掃描找到被弄混的書籍，然后放置在指定的位置。

1 智能機器人傳動機構設計

為使控制傳動部分簡化，機械臂的轉動采用蝸輪蝸桿傳動，蝸輪蝸桿傳動可使整個機械臂無死角360°旋轉；還能通過與小齒輪觸碰的計數器計數實現轉動角度的精確控制，這對后續對書籍的精準擺放具有很大幫助；轉動平穩，齒輪較大，可承受整個機械臂的重量。轉動部分是機械臂多個自由度中較重要的部分，其設計過程也是整個設計過程中較重要的一環。

六軸智能機器人有6個軸，每個軸的傳動都需要一臺伺服電動機配備減速機，伺服電動機的選型尤為重要，六軸智能機器人的6個軸的運動方向及運動方式都不相同，每個軸就像是在模擬手的關節動作[3]。

1)一軸是連接底座的部位，主要是底座左右無死角旋轉和承載整體的重量，左右無死角旋轉的動作是使用伺服電動機配減速機傳動的結果，每個軸都代替一個方向的運動方式。

2)二軸控制機器人主臂上下運動擺動、整個主臂前后擺動的功能。

3)三軸同樣是控制機器人前后擺動功能，只是比二軸的擺臂范圍小。

4)四軸是控制機器人上面的圓形管部分可自由旋轉的部位，活動范圍相當于人的小臂，不過不是360°旋轉，跟人的小臂的范圍相同。

5)五軸通常是當產品抓取后可以使產品翻轉的動作，控制微調的上下翻轉。

6)六軸可以360°旋轉，是末端法蘭部分旋轉功能。

通過對智能機器人機械手六軸的設計，可自由方便地利用編程實現機械手的靈活運動，運動角度可達到任何一個角落，實現智能控制、精準分類的目的。智能圖書分類機器人模型整體結構如圖1所示。

圖1 機器人模型整體結構圖

1.1 機械臂底座機構

機械臂底座機構如圖2所示，主要由固定底座、底盤旋轉渦輪、電動機等組成，六軸機器人的機械結構，6個伺服電動機直接通過減速器、同步帶輪等驅動6個關節軸的旋轉。固定底座與移動小車同步滑行，即底座固定在小車上，由小車載著機械臂行駛。電動機提供動力來源，本設計選定直流伺服電動機進行驅動。伺服電動機也稱為舵機，此機械臂由多個舵機通過連接件將其連接成可以無死角360°旋轉運動的結構裝置，并在機械臂上裝有紅外模塊，對抓取書籍也設計了相對應的機械爪，防止機械爪在抓取的過程中損壞書籍，機械臂固定在運動模塊上裝在小車上。這種機械設計運動靈活，操作簡單[4-5]。

圖2 機械臂底座機構

1.2 底盤驅動機構

底盤驅動機構如圖3所示。底盤旋轉電動機初步選定直流伺服電動機。底盤旋轉電動機的負載為底盤旋轉渦輪、大機械臂、連桿伺服電動機、旋轉臂伺服電動機、機械爪、連桿機構和圖書的質量之和。總質量≤85 kg，設底盤旋轉渦輪摩擦因數為0.3，移動速度為0.3 m/s，則底盤旋轉渦輪驅動力為：

圖3 底盤驅動機構圖

F1=μmg=0.3×85×10=255 (N)

底盤旋轉渦輪最大驅動率為：

P1=F1V=255×0.3=76.5 (W)

假定機械系統的傳動效率為0.8，則電動機的最大功率為：

Pmax=P1/0.8=95.7 (W)

1.3 大機械臂驅動機構

大機械臂驅動機構如圖4所示。連桿伺服電動機初步選定直流伺服電動機。連桿伺服電動機的負載為大機械臂、小機械臂伺服電動機、機械爪、連桿機構和圖書的質量之和。總質量≤80 kg，設底盤旋轉渦輪摩擦因數為0.3，移動速度為0.3 m/s，則底盤旋轉渦輪驅動力為：

圖4 大機械臂驅動機構圖

F1=μmg=0.3×80×10=240 (N)

底盤旋轉渦輪最大驅動率為：

P1=F1V=240×0.3=72 (W)

假定機械系統的傳動效率為0.8，則電動機的最大功率為：

Pmax=P1/0.8=90 (W)

1.4 小機械臂驅動機構

小機械臂驅動機構如圖5所示。旋轉伺服電動機初步選定直流伺服電動機。旋轉伺服電動機的負載為小機械臂伺服電動機、機械爪、圖書的質量之和[6]。總質量≤40 kg，設底盤旋轉渦輪摩擦因數為0.3，移動速度為0.3 m/s，則底盤旋轉渦輪驅動力為：

圖5 小機械臂驅動機構圖

F1=μmg=0.3×40×10=120 (N)

底盤旋轉渦輪最大驅動率為：

P1=F1V=120×0.3=36 (W)

假定機械系統的傳動效率為0.8，則電動機的最大功率為：

Pmax=P1/0.8=45 (W)

綜上可得各驅動機構的性能參數見表1。

表1 各驅動機構的性能參數

2 控制系統設計

在控制系統中，合理選擇開發平臺不但能夠提高運算效率，還可以降低處理器的功耗。筆者選擇的是VS Code開發環境，并采用C++編程語言，C++語言功能強大，也很適合用來控制機器的運轉；選用K210處理器的開發板套件，該處理器性能不差，成本不高，功耗低，基本上是集大多數處理器優點于一身，很適合人工智能的開發，內置獨立的CNN卷積神經網路運算單元，處理速度也比較快，主頻最高可以達到600 MHz，并且自帶麥克風、揚聲器和攝像頭[7]。

2.1 技術關鍵

圖書智能分類機器人中，最重要的就是它的一雙“眼睛”——視覺識別系統，這是機器人識別待分類書籍集中區的書籍的關鍵，通過識別系統識別到的數據，傳送到機器爪的控制系統和小車移動的控制系統，以便能夠準確地將書籍識別出來，將書籍分到不同的書架上。如何提高視覺識別系統的準確率是智能識別的關鍵，也是機器人完成圖書分類的關鍵。

2.2 控制流程

圖像識別的基本流程如圖6所示。

圖6 圖像識別的基本流程

1)識別系統：首先讓機器識別書籍或者書籍編碼，然后對圖像進行數據分析，并且確定獲取所需要圖像的數據的手段[8]，通過圖像預處理消除背景噪聲、光照、小車運動造成的書籍編碼模糊等實際應用影響，更好地提取有用的信息，最大限度地簡化需要的數據；在讀取圖像后則是對書籍編碼的提取，根據書籍上貼的編碼進行提取[9-10]，增加識別的精度；最后對書籍編碼的信息進行處理和分析。該模型采用掃描編碼法，首先機械臂運動到書籍堆放處，對書籍編碼進行掃描，掃描的信息傳送到系統處理器，就會得到書籍的所有信息。識別中的函數為：

void QZ() //對圖像進行去噪處理

void ErZhiHua() //用二次定值法對圖像進行二值化處理

void OnShibie() //對最后處理過的圖像進行識別

2)小車運動系統：裝載小車的運動是此機器人功能實現的關鍵之一，機械臂裝載在小車上，當機械臂識別到書籍、確定書籍所在的書架、并將書架的位置信息傳到小車的控制系統時，小車開始運動，此時，小車根據圖書館書架的位置圖，迅速得出到達該書架的最近方案，在小車的行駛方向裝一個紅外傳感器，使小車在移動過程中能避開障礙物[11]。

3)六軸機械爪運動系統[12]：剛開始采用固定運動模式，即機械爪在待處理書籍的箱子處進行掃描，直到掃描到待處理書籍的箱子有書籍為止，利用機械爪邊緣的紅外線掃描裝置進行掃描，掃描書籍編碼，把掃描到的信息傳送給單片機處理器，處理器迅速得到書籍信息后，再與機械爪控制模塊和裝載小車的控制模塊通信，使機器人能夠抓取書籍按指定的位置移動，到達書籍的指定書架所在處，到達指定地點后，機械爪再次開始動作，把夾取的書籍放到指定書架上，機械爪復位。完成一類圖書的分類整理，重新掃描，準備分類整理另一類圖書，重復上述工作流程即可。具體控制流程如圖7所示。

圖7 系統控制流程圖

3 結語

應用SolidWorks軟件創建圖書分類機器人模型，分析各結構的承載力及電動機參數，選取最佳材料來搭建圖書分類機器人；應用ADAMS軟件對圖書分類機器人進行仿真調試。在此基礎上對圖書分類機器人進行可行性分析，滿足現代圖書館的需求，從而減少圖書管理員的工作量，同時也提高了對圖書管理員的要求。設計的智能圖書分類機器人系統模型成本低，操作簡單，易于實現，可快速精準地進行圖書分類整理，在實際生活中可廣泛應用。