基于STM32的圖書館機器人設計應用

摘 要：通過托架放書單元、環形滑軌旋轉機構、二維滑塊夾取機構和行走單元，構建了圖書館機器人的整機設計，基于STM32單片機實現了圖書館機器人的控制系統。按照各功能單元的控制要求，通過程序設計實現了機器人的圖書識別、抓書放書、清理轉運、上架下架等操作功能，結合Wi-Fi網絡和手機APP實現了數據傳送、場景呈現、問題咨詢等互動功能。測試結果反映，機器人車身靈活，運行平穩，傳送數據快捷，適合于完成圖書管理員的部分工作。

關鍵詞：機構設計；STM32；圖書館；機器人；Wi-Fi網絡；運動控制

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）13-0191-04

Design and Application of Library Robot Based on STM32

WEI Jin

（Jiuquan Vocational Technical College， Jiuquan 735000， China）

Abstract： A complete design of the library robot is constructed through a shelf book placement unit， a circular slide rail rotation mechanism， a two-dimensional slider gripping mechanism， and a walking unit. The control system of the library robot is implemented based on the STM32 single-chip microcomputer. According to the control requirements of each functional unit， the robot has implemented operation functions such as book recognition， book grabbing and placement， cleaning and transportation， and shelving and delisting through program design. Combined with Wi-Fi network and mobilephone APP， interactive functions such as data transmission， scene presentation， and problem consultation have been achieved. The test results indicate that the robot body is flexible， runs smoothly， and transmits data quickly， making it suitable for completing some of the work of a librarian.

Keywords： mechanism design; STM32; library; robot; Wi-Fi network; motion control

0 引 言

當前圖書館智能立體書庫較多采用館內密集智能書庫或館外高密度儲存書庫的單體空間建設模式，現階段此模式在應用中還有諸多不足[1]，機器人技術應用于圖書館智能立體書庫，通過圖書搬運、圖書盤點、圖書自動存取、圖書掃描、智能咨詢、遠程閱覽、特殊人群服務等實現圖書的自動化轉運和對用戶的智能化服務。

目前，國外研究應用主要基于智能立體書庫，注重數據處理軟件與起重、輸送設備和升降臺等大型設備的使用，體現在高密度的存儲和檢索等方面，比如ASRS系統[2-3]。國內研究主要集中在書籍識別、抓取機構和自助存放等方面，圍繞圖書盤點和圖書上下架等開展了個別應用，但受價格因素和存放書庫的影響，應用效果有限[4-5]。基于此，結合STM32系統和物聯網技術針對圖書館環境呈現、書籍條碼識別、存放位置確定、圖書搬運和書籍自動存取等環節進行研究，以期在圖書管理員的控制下實現圖書借閱、歸類、清理、盤點以及場景展現、實時監控、位置導航和遠程閱覽等服務功能，開發一款便捷高效、經濟實用的小型機器人。

1 機構設計

和其他功能裝備一樣，機器人的設計開發必須建立在其組成機構及其關聯關系的基礎之上，即機構設計必須圍繞功能要求來展開。按照圖書流轉作業特點，機構設計應當包括抓取與放置機構、儲藏和運送等基本組成單元。根據功能實現要求，整機共設計了托架放書單元、環形滑軌旋轉機構、二維滑塊夾取機構、和行走單元五個部分，其中二維滑塊夾取機構由二維滑塊裝置與機械爪夾取裝置組成。整機實物構成如圖1所示。

機身設計主要考慮機器人要自身重量輕、移動方便、識別靈活等因素，因而采用了框架式的行走單元。行走單元包括2個后輪和1個前輪，電機驅動安裝在箱體底座板上的2個后輪實現機身的前進與后退，安裝在箱體前端的推桿旋轉實現轉向功能。底座上搭載了環形滑軌旋轉機構，環形滑軌旋轉機構用于傳送書籍，書籍在環形滑軌傳送裝置上能夠做水平位移和環形往復運動，便于掃描器掃描識別后抓取。環形滑軌傳送機構與行走單元如圖2所示。

書籍的存放運動控制過程需要二維滑塊裝置的配合來實現，二維滑塊裝置用于安裝書籍抓取機構。通過二維滑塊裝置移動帶動機械爪夾取裝置在平面內運動，實現對書籍位置的確定。機械爪定位后，直流減速電機驅動動力輪從而拖動夾取裝置伸縮，到達位置后抓取或放下書籍。機械爪及其夾取機構是抓取書籍的關鍵部件，根據書籍存放的空間位置和取書放書的作業特性，夾取機構選取了直角坐標系機械臂方案。二維滑塊裝置及機械爪如圖3所示。

2 控制系統

機器人控制系統以STM32F407作為主控芯片，通過Wi-Fi建立與管理員的信息傳輸，在管理員的控制下實現書籍查詢、場景導航、書籍運送、書籍取放和環境監測等任務。

2.1 硬件設計

圖書館機器人硬件部分主要包括主控板、條形碼讀取模塊、壓力傳感器模塊、Wi-Fi模塊、攝像頭模塊、舵機和9個電機驅動控制模塊，控制系統結構圖如圖4所示。為了防止干擾，增強可靠性、減少器件分布空間，本設計采用了將控制電機運行的9個繼電器焊接到了主控板上的方式。

2.1.1 主控板選型

設計采用STM32F407ZET6芯片作為系統微控制器，該控制器采用ARMv7架構的32位Cortex-M3內核，功能強大，完全適應圖書館機器人對各種數據處理能力的需要。STM32產品具有體積小、功耗少、成本低、性能高的特點，且采用簡單易用的HAL庫開發方式，方便機器人的功能開發[6]。STM32F407程序存儲器容量為512 KB，I/O端口豐富，工作電壓2.0～3.6 V，主頻率為168 MHz，可滿足Wi-Fi模塊對數據通信的需要[7]。STM32F407ZET6主控芯片的電路如圖5所示。

機器人在系統控制器的控制下完成各種操作，其控制流程為：圖書管理員借助Wi-Fi網絡，通過手機APP向機器人發出作業指令，機器人主控芯片對接收的指令進行處理，執行相應的程序，并通過I/0控制端口向繼電器發出指令，控制電機運轉，從而驅動運行機構工作，完成設定的作業任務，機器人中的9個執行電機都由繼電器控制。

2.1.2 條形碼讀取模塊

條形碼掃描器安裝在二維滑塊裝置上固定位置，用于對傳送中的書籍條形碼進行掃描識別，從而獲取書籍的相關數據。本次選取了GM77中速二維條碼掃描識別模塊，其對移動速度為30 cm/s的條形碼可以識讀，符合現場要求。這個模塊體積小，功耗低，支持TTL232和USB接口，并具有將數據顯示在手機APP上的功能，比較適合該款機器人的需要。實操中，工作電壓5 V，工作電流180 mA，需要將模塊的兩根信號線和主控芯片串口3TXD/RXD對應的I/O引腳PA10、PA11連接。

2.1.3 壓力傳感器模塊

機械爪的夾持板在直流減速電機控制下完成夾緊和松開作業。電機通電，夾持力發揮作用，但當作用力低于某個閾值時，則無法夾持或提升書籍，或者出現書籍中途滑落現象。這既取決于夾持力的大小，也取決于書籍重量的大小，因而壓力傳感器的選擇要符合書籍夾持提升對夾持力的要求。本次選擇FSR402電阻式薄膜壓力傳感器，壓力為20克到6千克，且閾值范圍可調[8]，可以滿足普通書籍對夾持力的需要。設計中壓力傳感器第1引腳接電源正極，第2引腳接電源負極，第4引腳直接和芯片I/O口PE9連接，如圖6所示。

2.1.4 舵機與攝像頭模塊

舵機安裝在二維滑軌上，用于控制機械爪的旋轉抓取的書籍，舵機模塊的選型主要依據舵機的輸出扭矩和反應速度兩個指標。本次選擇型號為MG995舵機，其工作扭矩為13 kg/cm，反應速度為53-62R/M，轉動角度左右各90度[9]，符合機械爪的作業要求。舵機模塊的3根引線中紅色線接電源正極，棕色線接電源負極，黃色線為信號線，連接PB0接口。攝像頭專用模塊通過USB口連接到Wi-Fi模塊上，用于場景拍照或機器人行走中進行實時畫面拍攝。管理員通過實時畫面可以掌握機器人的工作狀態，及時下達任務指令。

2.1.5 Wi-Fi模塊

Wi-Fi模塊與STM32進行串口通信并實現機器人與手機APP之間的信息傳輸[10]。本次選取的Wi-Fi數傳模塊，其FLASH容量為8 MB，RAM容量為64 MB，可以滿足機器人的功能要求，模塊需要的工作電壓為5 V，工作電流為500～1000 mA。模塊引出線中，黑色接地，白色接串口通信USART2中的PA3，灰色接串口通信USART2中的PA2。Wi-Fi模塊電氣原理如圖7所示。

2.2 程序設計

為實現機器人的存放書功能，展開了如下程序設計：手機APP控制機器人程序、Wi-Fi指令通信程序、機器人行走控制程序、書盒傳輸機構控制程序、機械爪取書放書控制程序、二維滑塊運動控制程序。手機程序控制機器人行走界面如圖8所示。

手機APP控制機器人程序，使機器人在管理員的控制下完成各種作業任務；定義Wi-Fi模塊串行IO口，管理員可使用手機APP通過Wi-Fi網絡向機器人發送執行指令；機器人行走控制程序實現繼電器控制電機實現前進、后退、左行、右行運動功能；書盒傳輸機構控制程序應用了2個繼電器控制直流減速電機的正反轉，實現書盒移動，產生位移；書籍的抓取運動由機械爪取書放書控制程序與二維滑塊運動控制程序控制。以機器人行走控制程序為例，主控板I/O定義了4個繼電器接口具體為PE2、PE3，PE6、PE7，部分程序為：

if（（RxBufferWF[0] == 'S'） && （RxBufferWF[1] == 'Q'）&& （RxBufferWF[2] == 'J'）&& （RxBufferWF[3] == '1'））

{

HAL_GPIO_WritePin（GPIOE，GPIO_PIN_2，GPIO_PIN_SET）；

HAL_GPIO_WritePin（GPIOE，GPIO_PIN_3，GPIO_PIN_SET）；

}

else if（（RxBufferWF[0] == 'S'） && （RxBufferWF[1] == 'Q'）&& （RxBufferWF[2] == 'J'）&& （RxBufferWF[3] == '0'））

{

HAL_GPIO_WritePin（GPIOE，GPIO_PIN_2，GPIO_PIN_RESET）；

HAL_GPIO_WritePin（GPIOE，GPIO_PIN_3，GPIO_PIN_RESET）；

｝

……

3 運行測試

實驗對機器人的抓書功能、放書功能、RFID掃描功能、壓力傳感器功能、行走功能、導航和查詢功能進行了測試。測試設定了系統的環境為：操作系統Windows 10、機器人控制軟件版v1.0和機械抓手硬件版本v2.0。機械爪抓書功能測試結果為：如果書籍位置到位，能夠準確抓取書籍，并將其放在指定的位置；如果書籍位置不準確，機器能夠調整位置，重新抓取書本并放置在指定位置。機械抓手放書功能測試結果為：機械爪能夠將抓到的書籍準確地放在指定位置；如果放置的位置不準確，能夠調整位置并重新放置書籍。RFID自感應掃描功能測試結果為：掃描器能夠正常掃描到書籍，條形碼讀取正常；自動感應掃碼，如果不能正常掃描，能夠通過環形滑軌電機調整位置并重新自動感應掃碼。壓力傳感器模塊功能測試結果為：舵機正常工作，沒有卡死現象，機械爪能夠正常抓取書籍；若出現舵機卡死現象，通過調整壓力傳感器數值并重新完成抓取動作。行走功能測試結果為：在書盒裝滿書籍情況下，機器人運行平穩；管理員通過機器人提供的現實場景通過手機APP能夠控制其行進路線，到達目標位置。導航及查詢測試結果為：用戶通過Wi-Fi和手機APP界面，能夠依據機器人提供的真實場景準確找到目標物或目標位置。

測試結論顯示，機器人工作狀態基本符合預期設定。掃描器測試場景如圖9所示。

4 結 論

本文設計完成了一款基于STM32F407ZET6手機控制的圖書館機器人，采用了機械爪搭配桁架機械臂可以直接將書籍放置到書架上，機械爪的夾持板在直流減速電機控制下完成夾緊和松開作業，通過射頻掃描（RFID）識別條形碼的方式進行書籍識別，利用激光雷達掃描獲得的實時數據控制機器人的行走路線，借助Wi-Fi網絡和手機APP界面為用戶提供導航和咨詢服務。運行測試證明，機器人運行平穩，輕便靈活，能夠準確識別并抓取書籍，避障行走快捷，適宜在圖書館相對狹小的空間作業。

參11c5c5e04245289aa640a6f45de8b98a考文獻：

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[2] 汪建滿.圖書館立體書庫ASRS波次任務長尾效應的產生原因及分析 [J].圖書館雜志，2022，41（3）：72-78.

[3] 劉哲.智慧圖書館視域下新一代圖書館文獻智能倉儲系統研究——以深圳圖書館北館為例 [J].圖書館，2023（2）：26-32.

[4] 楊倩.智能機器人技術在圖書館中的應用歷程與展望 [J].大學圖書館學報，2021，39（6）：30-37.

[5] 楊揚，鄭玄.機器人技術與圖書館服務創新的融合研究：進展、問題和前景 [J].國家圖書館學刊，2021，30（6）：78-87.

[6] 林逢春，陶燕.基于ZigBee的煤礦監測系統終端設計 [J].煤炭技術，2023，42（4）：234-236.

[7] 華國環，舒梁，張文鋒，等.基于北斗衛星和STM32F407的雷電監測系統設計 [J].傳感技術學報，2022，35（9）：1282-1286.

[8] 杜英魁，姚俊豪，劉鑫，等.基于電阻式薄膜壓力傳感器組的人體坐姿感知終端 [J].傳感器與微系統，2020，39（1）：78-81.

[9] 曾堯.基于STM32的智能小車循跡優化設計 [J].機械工程師，2022（1）：25-27.

[10] 王飛.基于WiFi的語音礦燈設計 [J].工礦自動化，2022，48（1）：98-102.

作者簡介：魏晉（1990.05—），男，漢族，甘肅蘭州人，助教，碩士，研究方向：產品創新設計。