圖書館書籍精準定位引導機器人

謝超

(株洲長遠智造股份有限公司，湖南 株洲 412000)

1 概述

圖書管理系統屬于流動管理系統，圖書的整理與盤點是十分重要的一步。圖書館中的書會被有需要的人進行借閱瀏覽，若在館內進行翻閱則會存在讀者使用后歸還錯書架的情況，若借出館外甚至還可能出現書籍受損或者丟失的意外，無論何種情況，圖書館內的實際存書數目與館藏數據對應不上。這種情況的出現不僅影響圖書館的正常運用以及管理，也會影響到讀者的使用體驗。因此，定時并且快速清點館內圖書是現階段圖書管理方面的一個亟需解決的問題。

智能圖書管理系統是智能和數字圖書館服務的全面集成。機器人技術為智能圖書館的發展帶來了新的機遇和挑戰。機器人技術可以應用于圖書館智能立體聲圖書館，書籍處理，小冊子，書籍自動訪問，書籍掃描，智能咨詢，遠程閱讀，特殊人口服務等，實施圖書館管理情報和服務智能，從根本上提升圖書館管理和服務的效率和質量。

2 主要方案

研究提出了一種全新的取書的方案, 并將研制出一種高效率、節省人工、錯誤率低的全自動多功能圖書館取書機器人。機器人通過APP 界面從使用者處獲得相應的書籍信息，然后與圖書館數據庫建立連接，結合RFID 技術獲得書籍的具體位置信息，采用麥克納姆輪以提高機器人運動的靈活性，采用雷達實現無軌導航避障引導器人到達支架的位置，通過圖像識別判定書籍位置，結合步進電機驅動移動平臺使機械手小范圍的移動，進一步確定書的位置，然后通過步進電機結合插補算法精確控制實現機械臂的升降，利用機械手配合撥書手指完成取書。

3 關鍵技術

信息的完整讀取和精準定位。通過射頻識別技術與機器人結合可以幫助機器人獲取更多的信息，實現自動化智能化，以解決由于金屬書架、信號干擾、書籍厚薄情況等因素導致的讀取書籍信息和準確定位難的問題。

圖書的完好和穩定取放。圖書館中各種類型的書籍厚薄情況不一，取書通過自適應手爪，根據書籍厚薄情況調整參數，以保證書籍的完好和穩定取放。

自主定位與無軌導航。對于機器人的運動軌跡，為了使機器人能夠在館中完成清理圖書，清點圖書，尋找圖書的工作，采用激光雷達實現機器人自主定位與無軌導航。

機器視覺與人工智能。通過深度學習對書籍進行準確識別；采用ocr 文字識別及語義分析實現特殊人群閱讀服務；利用分類器對使用者數據進行處理，實現APP 中書單推薦等功能。

機器人的機械系統分為機械臂三軸移動平臺、底座運動機構以及執行機構，這三者均由電機驅動模塊驅動。底座運動平臺包括安裝在平臺上的激光雷達，執行機構包括攝像頭和結合了撥書手指的機械爪。控制系統由STM32 與工控機構成，通過攝像頭控制系統與機械系統進行交互。

4 方案實現

4.1 底座運動平臺。針對圖書館緊湊的書架排列環境和取書需求，考慮到整個系統的平衡性和機動性，采用了麥克納姆輪作為驅動輪，相比于傳統的輪式機構，可以基本實現零轉彎半徑，能夠在圖書館狹小的館內環境的靈活運動。具有運動平穩、移動效率高和控制簡單的優點。

麥克納姆輪是基于輪子中心輪的原理，并且成角度的外圍輪軸將車輪轉向力的一部分轉換為車輪方法。依賴于各個輪子的方向和速度，最終合成合成載體，從而確保該平臺可以在不改變其自己方向的情況下在最終協同載體的方向上自由地移動。

圖1 機器人實物照片

從滾輪速度到車輪速度的計算：

其中，uw表示輪子速度，u||表示沿輥子方向的速度，ux表示輪子軸心運動速度X軸分量，uy表示輪子軸心運動速度Y軸分量。

根據圖2 所示a 和b 的定義，有

圖2 麥克納姆輪運動分解圖

其中，utx表示X軸運動的速度，即左右方向，定義向右為正；uty表示Y軸運動的速度，即前后方向，定義向前為正；a 和b 分別代表輪子與軸心的橫向距離與縱向距離。

圖3 麥克納姆輪實物圖

綜上，可根據底盤運動狀態解算出四個輪子的轉速：

其中，ω 表示Y軸自轉的角速度，定義逆時針為正；uω1、uω2、u ω3和uω4分別表示四個輪子的轉速。

4.2 無軌導航。響應于圖書館室內環境，使用LS TOF 激光雷達，并且在空間位置的位置平面的點云信息在二維平面中實時產生360 度，利用SLAM算法實現實時建圖、定位和導航功能。在測距處理期間，脈沖調制激光透射紅外激光信號，該激光信號被照射到目標對象，其由圖像采集處理系統由一組光學透鏡接收。在內嵌信號處理模塊實時決定之后，從通信接口輸出目標對象的距離值和雷達，以及相對方位角值。隨著機械旋轉模塊的驅動，其高頻磁芯測距模塊將旋轉時鐘，從而實現360 度的掃描周圍環境。

4.3 圖書信息的獲取。目前大多數圖書館內使用的是圖書碼是一維條碼，這種一維條碼僅對圖書進行標識,并沒有包含多少信息,若運用機器人進行精準管理，則需要獲取到更多的細節信息。并且，在掃描條碼的過程中，機器人勢必要進行無障礙的直接掃描條形碼，不然信息存在誤差。RFID標簽能夠在閱讀器的功用范圍內被讀取可以有效防止障礙物遮擋導致的識別難題,同時還能夠消釋上磁、消磁及磁條磁性弱化等問題。

基于以上情況，將采用圖像識別技術進行書籍的識別工作，從而實現書籍快速準確抓取。

4.4 三軸移動平臺。針對機器人取書的實際情況，通過實際分析，為了實現對目標自動跟蹤定位，將采用三軸移動平臺。三軸是在三維立體空間的環境下，通過長、寬、高即X軸、Y軸、Z軸三個軸對物體進行控制和定位。針對三軸平臺精確定位和穩定運轉的需求，采用了直線差補算法配合三軸平臺進行取書操作。三軸運動平臺和線性插值算法的組合不僅可以提高系統的穩定性和準確性，而且可以實現負載的高速和精確定位。

4.5 圖像識別技術。因為圖書館室內書籍眾多，提出一種解決方案：采用攝像頭獲取圖書圖像，經過圖像處理從書籍中識別出目標書籍，獲取其位置信息，進而完成取書。

首先通過使用安裝在橫軸上的攝像頭捕獲圖像信息。再通過圖像處理獲取尋找目標書籍，機械爪移動到指定位置完成取書作業。圖4 為圖像采集流程，主要采用了Canny邊緣檢測邊緣信息，HSV顏色空間提取圖像書籍標簽，霍夫變換提取書籍輪廓的方法。

圖4 圖像采集流程

通過三軸移動平臺上的攝像頭獲取圖像利用上述算法進行處理。HSV顏色空間的模型對應于圓柱坐標系中的一個圓錐形子集。再對攝像頭捕捉圖像進行霍夫變換。

圖5 工作場景圖

5 應用前景

本圖書館機器人是針對大量密集型資料的精確、高效的查找機器人。目標市場以公共圖書館、高校圖書館、社區圖書館等機構為主。并與各類圖書館取得深度合作之后，可以各類圖書館為中心，打造一整套圖書館信息管理系統，將使用者納入其中，為使用者提供更加完善的服務。應用范圍可分為兩類:一類是一定規模以上的公共、高校、社區圖書館;另一類是規模較小的縣級以下公共圖書館，中小學圖書館以及社區圖書館。根據使用者人群以及需要的不同，機器人會在型號大小、外觀和功能設計上有一些差別。