王濱， 韓丹， 李思遠(yuǎn)， 夏建邦， 關(guān)心同， 殷彤， 白家振， 王立新， 鄭元松

（1.大連豪森瑞德設(shè)備制造有限公司，遼寧 大連 116036;2.大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 大連 116034）

0 引言

目前，找書(shū)難、上架難、移架難等問(wèn)題是圖書(shū)館管理面臨的主要問(wèn)題。主要的解決途徑是圖書(shū)館自動(dòng)存取技術(shù)。就目前的發(fā)展水平來(lái)看，圖書(shū)館自動(dòng)存取技術(shù)可分為3 類(lèi)［2］：1）自動(dòng)化的系統(tǒng)被實(shí)現(xiàn)在單個(gè)書(shū)架中；2）圖書(shū)館整體實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的立體化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)；3）“移動(dòng)機(jī)器人＋機(jī)械手”的組合系統(tǒng)［3］。前兩種方案，圖書(shū)館需要更換全部設(shè)備，成本很高，并且日常管理較為復(fù)雜。第三種方案制造成本低，靈活性好。

本文采用“移動(dòng)機(jī)器人＋機(jī)械手”的設(shè)計(jì)思路，研發(fā)了以單片機(jī)為核心的圖書(shū)館移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，這款機(jī)器人具有成本低廉，擴(kuò)展簡(jiǎn)單，具有較高的靈活性及穩(wěn)定性等特點(diǎn)，可以在書(shū)架間靈活行走，發(fā)生故障時(shí)，能夠停止行走，等待修復(fù)，而圖書(shū)館仍然能正常開(kāi)放［4］。

圖1 圖書(shū)館移動(dòng)機(jī)器人

1 工作原理

移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)如圖1所示，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)主體、運(yùn)輸車(chē)及控制系統(tǒng)，能夠完成 3個(gè)方向（x、y、z）的運(yùn)動(dòng)：橫向運(yùn)動(dòng)（x）由小車(chē)及實(shí)心滑軌組成，小車(chē)由伺服電機(jī)提供動(dòng)力，單片機(jī)控制行進(jìn)和停止，能夠定位貨物x軸坐標(biāo)位置；縱向運(yùn)動(dòng)（z）由滑軌、機(jī)械臂整體、線軸部分組成，電機(jī)提供動(dòng)力，單片機(jī)控制機(jī)械臂升降，能確定貨物在z軸的位置；前后運(yùn)動(dòng)（y）部分由機(jī)械臂和氣動(dòng)手指組成，單片機(jī)控制電磁閥換向，實(shí)現(xiàn)手臂運(yùn)動(dòng)及手指夾緊。

圖2 夾取機(jī)構(gòu)

圖3 氣動(dòng)手指

2 機(jī)械手設(shè)計(jì)

機(jī)器人的機(jī)械手具有水平方向、豎直方向、x方向3個(gè)自由度。并在末端安裝了可完成抓、放動(dòng)作的手爪。夾取部分由氣動(dòng)機(jī)械臂（如圖2）和特制夾頭（如圖3）組成。氣動(dòng)機(jī)械臂是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣缸件，它的行程為200 mm。連接氣泵后，通過(guò)電磁閥的控制，氣缸內(nèi)的活塞可以做伸縮運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了手臂的自由伸縮。氣缸座用3 mm厚鋁板制成，上下滑軌采用φ16空心直管，這可節(jié)約材料，同時(shí)減輕上部的重量，降低了負(fù)載。

橫向運(yùn)動(dòng)部分由小車(chē)和滑軌組成，如圖4所示。橫向小車(chē)是橫向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源和信號(hào)源，因?yàn)槠鋬?nèi)部裝有電池這樣的能源裝置，還有電路板、單片機(jī)這樣的控制裝置，同樣裝有電機(jī)這樣的執(zhí)行元件，通過(guò)電池供電和單片機(jī)的有效控制，可以實(shí)現(xiàn)有規(guī)律的橫向運(yùn)動(dòng)，最終可使整體機(jī)構(gòu)可以在滑軌上隨意定位和移動(dòng)。橫向小車(chē)通過(guò)連接兩個(gè)滑塊固定于橫向滑軌上，這樣才能實(shí)現(xiàn)一個(gè)自由度方向上的橫向平移?；壊捎玫氖卿X合金實(shí)心管，強(qiáng)度高，表面光滑，直徑為16 mm，長(zhǎng)度為1 500 mm。采用兩根導(dǎo)軌目的是使裝置底部更加穩(wěn)定，機(jī)械運(yùn)動(dòng)更為精確，滿足了橫向運(yùn)動(dòng)的行程與小車(chē)的穩(wěn)定性。

縱向運(yùn)動(dòng)（圖5）由電機(jī)線軸部分和滑軌組成。通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和線軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)械手臂上下平移。上下運(yùn)動(dòng)使用電機(jī)帶動(dòng)繩索升降，電機(jī)要與線軸配合，帶動(dòng)繩索轉(zhuǎn)動(dòng)，繩索連接與夾取部分的裝置上。這樣通過(guò)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)縱向運(yùn)動(dòng)了。此方案的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作易于控制，同時(shí)大大降低了成本，所實(shí)現(xiàn)的效果也比較理想?？刂茩C(jī)械臂上下運(yùn)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為44 r/min，控制取書(shū)部分左右運(yùn)動(dòng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為120 r/min.鑒于機(jī)械臂每次只需夾取一個(gè)貨物，取書(shū)部分的誤差較大（約為±5 mm左右），但仍能保證準(zhǔn)確地取到貨物。

圖4 橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖5 縱向移動(dòng)機(jī)構(gòu)

3 自動(dòng)導(dǎo)向小車(chē)

在圖書(shū)館內(nèi)進(jìn)行圖書(shū)搬運(yùn)和機(jī)械手定位的圖書(shū)館智能小車(chē)，也可以被稱(chēng)做圖書(shū)AGV。在機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的分析中，通常將移動(dòng)機(jī)器人的工作環(huán)境分為結(jié)構(gòu)化環(huán)境和非結(jié)構(gòu)化環(huán)境。圖書(shū)館是一個(gè)結(jié)構(gòu)化非常明顯的空間。各個(gè)書(shū)架的相對(duì)位置都是固定的，并且不會(huì)改變。所以可以使用相對(duì)成熟的固定路徑導(dǎo)向技術(shù)。

根據(jù)以上要求，本文設(shè)計(jì)了圖書(shū)館自動(dòng)導(dǎo)向小車(chē)。車(chē)內(nèi)部裝有電池、單片機(jī)、光電傳感器、電路板等裝置。小車(chē)?yán)蒙珮?biāo)開(kāi)關(guān)識(shí)別路徑，準(zhǔn)確地將書(shū)送到輸出端。小車(chē)底板與地面成傾斜30°角，能使放入的書(shū)籍整齊排列并不易滑落。設(shè)計(jì)合理的光電反饋控制其起停。

3.1 小車(chē)結(jié)構(gòu)

如圖6所示，通過(guò)光電傳感器與單片機(jī)之間的信號(hào)傳輸與轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對(duì)雙輪差速轉(zhuǎn)彎電動(dòng)車(chē)的控制。由于直流電機(jī)具有轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大、質(zhì)量小、裝配使用方便等優(yōu)點(diǎn)，故采用空心杯直流電機(jī)。由于高速電機(jī)系統(tǒng)要求較高的控制精度，通過(guò)用光電傳感器尋軌的方式可以實(shí)現(xiàn)，并且具有原理簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，可集發(fā)射器和接收器于一體，能完成需要的信號(hào)檢測(cè)功能。

圖6 運(yùn)輸車(chē)

3.2 地面制導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)

色標(biāo)開(kāi)關(guān)在白色地面時(shí)輸出5 V高電平，在黑色制導(dǎo)帶上輸出低電平。光電開(kāi)關(guān)的反應(yīng)時(shí)間短，可以提高系統(tǒng)的控制精度。整個(gè)操作過(guò)程通過(guò)實(shí)時(shí)信息的采集和端口查詢，可實(shí)時(shí)對(duì)信號(hào)檢測(cè)與處理。

在設(shè)計(jì)運(yùn)輸系統(tǒng)的過(guò)程中，力求線路簡(jiǎn)潔，憑借軟件的靈活性來(lái)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。以單片機(jī)為核心元件，光電檢測(cè)技術(shù)和軟件算法可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)小車(chē)在黑色軌跡上的靈活運(yùn)動(dòng)。運(yùn)輸車(chē)采用四輪驅(qū)動(dòng)，四輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用功率放大管，通過(guò)單片機(jī)提供的控制信號(hào)進(jìn)行修改對(duì)電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)向進(jìn)行靈活簡(jiǎn)潔地控制，使其回到黑色軌跡上運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，三個(gè)固定在輪子下的反射式傳感器引導(dǎo)電動(dòng)車(chē)沿著白色軌跡運(yùn)行。當(dāng)車(chē)偏離運(yùn)動(dòng)軌跡(超出黑線)時(shí)，反射光較弱，單片機(jī)接收到輸出的高電平，系統(tǒng)被迫中斷并調(diào)整兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)向，使車(chē)再次回到軌跡。車(chē)前后兩側(cè)的傳感器用來(lái)檢測(cè)小車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是否達(dá)到指定地點(diǎn)。此外用來(lái)檢測(cè)平衡的傳感器固定在蹺蹺板支架上，若紅外三極管因指針遮擋住傳感器中心軸而接收不到紅外光，輸出送給單片機(jī)則變?yōu)楦唠娖?，小?chē)便停下來(lái)，說(shuō)明平衡位置找到了。小車(chē)運(yùn)行軌跡圖如圖7。當(dāng)運(yùn)輸車(chē)直線行走時(shí)（圖7（a）），光電全滅；當(dāng)運(yùn)輸車(chē)拐彎時(shí)（圖 7（b）），光電全亮。

4 控制系統(tǒng)

Arduino是一個(gè)開(kāi)源的單片機(jī)電子設(shè)計(jì)平臺(tái)，其作為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的最大特點(diǎn)就是簡(jiǎn)單易用。Arduino控制板根據(jù)檢測(cè)到的紅外信號(hào)，輸出具有制定控制策略的PWM信號(hào)，調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，最終實(shí)現(xiàn)控制小車(chē)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖7 智能小車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡

取貨部分設(shè)計(jì)采用閉環(huán)系統(tǒng)控制，閉環(huán)部分采用光電編碼盤(pán)，連續(xù)發(fā)光的光電管不停地通過(guò)格柵，所以光電管接收端就能接收到和格柵通過(guò)頻率相同的光信號(hào)，通過(guò)光敏三極管的轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)為變化的電信號(hào)，從而測(cè)出取貨小車(chē)移動(dòng)的速度與距離。接線圖如圖8所示。

圖8 編碼器參考接線圖

采用閉環(huán)控制［6］，通過(guò)小車(chē)行進(jìn)距離與給定值的偏差量進(jìn)行電機(jī)前進(jìn)控制，通過(guò)PID算法編程調(diào)控小車(chē)平穩(wěn)運(yùn)行前進(jìn)指定距離。部分代碼如圖9所示。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制的自動(dòng)完成圖書(shū)上架工作的圖書(shū)館移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，表明功能均滿足設(shè)計(jì)要求，并且控制系統(tǒng)的安全可靠，操作方便，節(jié)省了勞動(dòng)力，從而大大提高了工作效率。

圖9

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