文 / 朱曉霞

圖書館智能化文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人技術(shù)研究

文 / 朱曉霞

圖書館智能化文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人是應(yīng)用于圖書館文獻(xiàn)資源典藏管理和讀者服務(wù)流通工作的重要智能化技術(shù)。文章分析了圖書館智能化文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人的現(xiàn)狀及存在問題，探討了圖書館智能化文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)、機(jī)械拾取手臂設(shè)計(jì)、機(jī)械手夾持器設(shè)計(jì)以及機(jī)械手整體設(shè)計(jì)案例，力圖為全面了解圖書館智能化機(jī)器人技術(shù)提供參考。

圖書館；智能化；智能機(jī)器人；文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人

隨著以智能化為標(biāo)志的工業(yè)4.0時(shí)代和圖書館4.0時(shí)代的到來，圖書館智能化機(jī)器人技術(shù)逐漸被引入到圖書館工作中，為圖書館日益繁忙的工作提供了高效快捷的解決方法。目前，在圖書館從事服務(wù)的智能化機(jī)器人有多種類型，采用了多項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)，而智能化機(jī)器人的文獻(xiàn)自動(dòng)拾取技術(shù)是其中重要的一項(xiàng)。

一、圖書館智能化文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人技術(shù)的現(xiàn)存缺陷

圖書館智能化文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人技術(shù)的重點(diǎn)，是要讓機(jī)器人模仿圖書館工作人員對(duì)于圖書館文獻(xiàn)的自動(dòng)拾取[1]。從圖書館智能化文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度講，拾取技術(shù)主要是由三部分的設(shè)計(jì)構(gòu)成，即圖書館智能化文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)、文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)械手臂和文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)械手夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。但是，目前大多數(shù)投入使用的圖書館文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人普遍存在的問題是：機(jī)器人的機(jī)械手達(dá)不到圖書館文獻(xiàn)自動(dòng)拾取精確度的專業(yè)需求，無法用一只機(jī)械手在密集的圖書館書庫和書架的文獻(xiàn)之間對(duì)文獻(xiàn)自主進(jìn)行上架和下架的拾取操作；圖書館智能化文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人的設(shè)計(jì)尺寸，除了少數(shù)可以達(dá)到1.8米，與真人的身高相似以外[2]，大多數(shù)相對(duì)較為矮小，難以上架和下架高層書架上的文獻(xiàn)；常用的圖書館智能化文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人為四輪設(shè)計(jì)的行走機(jī)構(gòu)，在圖書館相對(duì)狹窄的書架空間中改變和維持姿態(tài)較為困難。由于文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人與書架之間的相對(duì)位置和姿態(tài)不容易控制，在設(shè)計(jì)時(shí)往往需要采用矩陣法來建立機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)臺(tái)各個(gè)支路之間的位置和姿態(tài)變換關(guān)系。

二、圖書館智能化文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人技術(shù)的設(shè)計(jì)研究

（一）移動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

根據(jù)圖書館智能化文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)方式的不同類型，機(jī)器人的移動(dòng)方式通?？梢苑譃檐囕喪?、滑軌式、履帶式和多足式等。從目前國(guó)內(nèi)外多個(gè)圖書館的實(shí)際應(yīng)用效果來看，車輪式結(jié)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、移動(dòng)快速、方向靈活、操作簡(jiǎn)單、適用于平坦地面等多種優(yōu)勢(shì)，更加適合應(yīng)用于同層范圍內(nèi)的圖書館智能化文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人中。而滑軌式結(jié)構(gòu)具有能夠在圖書館不同樓層之間快速運(yùn)移的特點(diǎn)，更加適合應(yīng)用于不同樓層范圍內(nèi)的圖書館智能化文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人中。移動(dòng)平臺(tái)的車輪式結(jié)構(gòu)，依據(jù)車輪的數(shù)量多少，可分類為2—4輪和多輪的設(shè)計(jì)。車輪布局設(shè)計(jì)主要的考慮因素是平衡性、穩(wěn)定性、靈活性和靜音性。一般3—4輪由于其機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性較好，所以成為優(yōu)先選擇的設(shè)計(jì)方案[3]。此外，為了保證圖書館安靜的環(huán)境，防止文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生噪音，在機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中保持良好的靜音性，車輪的材質(zhì)適宜選用具有減震效果的橡膠輪，而不宜采用容易發(fā)出噪音的塑料輪。

（二）移動(dòng)平臺(tái)的不同類型

在圖書館智能化文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人應(yīng)用的初級(jí)階段，可以采用機(jī)器人和人工相結(jié)合的半自動(dòng)方式來進(jìn)行圖書館文獻(xiàn)的拾取工作。在這種情況下，文獻(xiàn)拾取機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)往往會(huì)被設(shè)計(jì)為智能書車的形式，后續(xù)的文獻(xiàn)自動(dòng)拾取的機(jī)械手臂和機(jī)械手夾持器等工作，則可以由圖書館工作人員代為完成。如由南京大學(xué)聯(lián)合其他機(jī)構(gòu)研發(fā)的，已經(jīng)在南京大學(xué)仙林校區(qū)杜廈圖書館外文閱覽室投入使用的圖書館機(jī)器人智能書車就是如此。它有一米多高，外形很像一個(gè)小書車，工作時(shí)會(huì)默默地、悄無聲息地靈活行走在圖書館的各排書架之間[4]。而德國(guó)洪堡大學(xué)科學(xué)圖書館的智能化文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的基本功能是在圖書館總服務(wù)臺(tái)與各功能區(qū)之間自動(dòng)傳送需要上架和分檢的文獻(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)圖書館智能化文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人的全部功能。

（二）機(jī)械拾取手臂的設(shè)計(jì)

圖書館智能化自動(dòng)拾取機(jī)器人機(jī)械拾取手臂的設(shè)計(jì)，主要有直角坐標(biāo)垂直升降手臂和多自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械手臂兩種。直角坐標(biāo)垂直升降手臂的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要太多復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，但是它的缺點(diǎn)是操作空間往往會(huì)受限。多自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械手臂可以充分利用相對(duì)成熟的工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)，使其在圖書館工作空間范圍和文獻(xiàn)拾取的定位精確性方面都得到大幅度提高[5]。1965年德國(guó)人斯圖爾特發(fā)明了六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。1978年澳大利亞著名機(jī)構(gòu)學(xué)的亨特教授提出，可以將并聯(lián)機(jī)構(gòu)用于機(jī)器人的機(jī)械手臂設(shè)計(jì)中。并聯(lián)機(jī)構(gòu)與串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，在結(jié)構(gòu)方面具有剛度大和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點(diǎn)，在定位精度方面具有重復(fù)定位精度高和微動(dòng)精度高的特點(diǎn)，在承載負(fù)荷方面具有承載能力大和運(yùn)動(dòng)負(fù)荷小的特點(diǎn)，在速度和動(dòng)態(tài)性方面具有反應(yīng)速度快和動(dòng)態(tài)性能好的特點(diǎn)，加之并聯(lián)機(jī)構(gòu)擅長(zhǎng)反解的特性更適合機(jī)器人的實(shí)時(shí)在線計(jì)算，所以采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)往往用于精密緊湊的應(yīng)用場(chǎng)合。并聯(lián)機(jī)器人手臂具有快速準(zhǔn)確拾取物體的顯著特點(diǎn)，可以被用于圖書館需要進(jìn)行精確地自動(dòng)拾取文獻(xiàn)的圖書館智能化文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人上。

（三）機(jī)械手夾持器的設(shè)計(jì)

圖書館智能化文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人機(jī)械手夾持器的設(shè)計(jì)，要根據(jù)圖書館文獻(xiàn)的排架方式來確定。圖書館智能化機(jī)器人在拾取文獻(xiàn)時(shí)一般會(huì)遇到三種文獻(xiàn)的排架情況：?jiǎn)蝺?cè)定位排架、疏松型排架和緊密型排架。單冊(cè)定位排架以每?jī)?cè)書為一個(gè)單位設(shè)計(jì)的排架存放空間，難以適應(yīng)一般圖書館大量文獻(xiàn)的書架排架方式，目前主要應(yīng)用于24小時(shí)自助圖書館的少量文獻(xiàn)排架。在這種排架方式的情況下，由于文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人機(jī)械手夾持器的操作，僅僅是針對(duì)固定架格中的單冊(cè)文獻(xiàn)，其拾取操作最為簡(jiǎn)單。疏松型排架的文獻(xiàn)，文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人機(jī)械手夾持器的操作相對(duì)簡(jiǎn)單，這是因?yàn)楫?dāng)排架文獻(xiàn)之間較為疏松時(shí)，更便于機(jī)械手夾持器的靈活進(jìn)退。而對(duì)于目前大多數(shù)圖書館采用的緊密型文獻(xiàn)排架方式而言，文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人機(jī)械手夾持器的操作要復(fù)雜得多。在設(shè)計(jì)中需要在夾持器的末端增加具有智能化文獻(xiàn)自動(dòng)拾取力覺感知系統(tǒng)的執(zhí)行器來感知和適應(yīng)目前的圖書館緊密型文獻(xiàn)排架方式，以提高機(jī)械手夾持器自動(dòng)拾取文獻(xiàn)的力度和靈活性。

三、圖書館智能化文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人機(jī)械手整體設(shè)計(jì)案例

（一）機(jī)械手的特性

圖書館文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人機(jī)械手的工作區(qū)域范圍，是由電機(jī)的兩方面因素綜合決定的，即電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡和絲杠的直線運(yùn)動(dòng)軌跡。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要同時(shí)選用由直線移動(dòng)副和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)副執(zhí)行機(jī)構(gòu)所構(gòu)成的復(fù)合運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)。直線移動(dòng)副是由一個(gè)直流電機(jī)配合一個(gè)絲杠來實(shí)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)副可由三個(gè)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人機(jī)械手的工作部分，一般是由電源部分、控制器部分、機(jī)械臂部分以及傳感器云臺(tái)共同組成。其中機(jī)械臂是由固定基座、機(jī)械大臂、機(jī)械小臂、機(jī)械手及其手腕關(guān)節(jié)等部分組成，顯然六自由度比四自由度的機(jī)械臂具有更大的作業(yè)縱深空間范圍[6]。在圖書館文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人工作過程中，機(jī)器人先要進(jìn)行目標(biāo)文獻(xiàn)所在位置的信息數(shù)據(jù)獲取，根據(jù)目標(biāo)文獻(xiàn)位置的信息數(shù)據(jù)自主調(diào)整機(jī)械手的位置姿勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)文獻(xiàn)的精確定位、適度抓取、有效夾持、空間運(yùn)移和定位排架。文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人的所有運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)都由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)電機(jī)都帶有減速箱和碼盤反饋系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)反映各關(guān)節(jié)所對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確位置。

（二）機(jī)械手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人機(jī)械手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，機(jī)械臂是由絲杠和導(dǎo)軌組成的直線運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)起作用，其長(zhǎng)度變化由二者之間的相對(duì)位置決定。機(jī)械手被安裝在絲杠平臺(tái)上，它同時(shí)也是夾持器的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。在絲杠的平臺(tái)處固定安裝有兩個(gè)機(jī)械手夾持器用電機(jī)，夾持器的安裝位置是隨著電機(jī)的固定而確定的。機(jī)械手的主要部件分為兩套，即分書器和分書電機(jī)、夾書器和夾書電機(jī)。分書器與夾書器之間通過連桿鉸接，分書電機(jī)與夾書電機(jī)固定安裝在絲杠的云臺(tái)位置。分書電機(jī)與夾書電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相互配合，它們之間的機(jī)械運(yùn)動(dòng)就構(gòu)成了機(jī)械手夾持器的分書、夾書、取書和存書等一系列文獻(xiàn)自動(dòng)拾取的復(fù)雜動(dòng)作。當(dāng)分書電機(jī)帶動(dòng)分書器絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，夾書器電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就使得分書器的連桿處于張開狀態(tài)。當(dāng)分書器張開的角度與圖書的厚度相同時(shí)，夾書器也張開到同樣的寬度，此時(shí)，機(jī)械臂繼續(xù)伸出，將圖書送達(dá)書架的最佳位置。同時(shí)，夾書器電機(jī)開始工作，帶動(dòng)夾書器的絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，使得夾書器向外運(yùn)動(dòng)，并持續(xù)呈現(xiàn)為張開狀態(tài)。此時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩種不同的情況，一種情況是分書器兩側(cè)圖書架上的圖書被分開，另一種情況則是夾書器張開。當(dāng)連桿與夾書器超過直角狀態(tài)時(shí)，它對(duì)圖書的夾持力量會(huì)逐漸減小，當(dāng)角度大到一定程度時(shí)，夾持力會(huì)減小為零。此時(shí)，機(jī)械臂會(huì)收回，夾書器與分書器也會(huì)依次進(jìn)入閉合狀態(tài)。

（三）機(jī)械手的尺寸設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人機(jī)械手的尺寸大小極其靈活性，將直接決定機(jī)器人能否順利地從書架上拿取文獻(xiàn)以及上架文獻(xiàn)。機(jī)械手的設(shè)計(jì)尺寸大小，要充分考慮到適應(yīng)圖書館各種文獻(xiàn)的尺寸大小。在一般情況下要設(shè)計(jì)三種尺寸類型，即最大尺寸類型、常用尺寸類型和最小尺寸類型。最大尺寸類型，有圖書館過刊裝訂的合訂本以及建筑藝術(shù)類的特種大尺寸文獻(xiàn)。常用尺寸類型有在圖書館中占有量最大的32開和16開尺寸文獻(xiàn)類型。最小尺寸類型有圖書館中的64開及其它小尺寸文獻(xiàn)。還有一些超薄的文獻(xiàn)尺寸類型，如書脊很薄，或根本沒有書脊的超薄文獻(xiàn)尺寸類型。在文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人機(jī)械手夾書器的內(nèi)側(cè)，我們應(yīng)設(shè)計(jì)安裝兩塊面料質(zhì)地較為粗糙的纖維材料，目的是增加夾書器與文獻(xiàn)之間的摩擦力，防止在拾取過程中出現(xiàn)文獻(xiàn)滑脫，尤其是在目前圖書館有相當(dāng)高比例光面壓膜裝文獻(xiàn)的現(xiàn)實(shí)情況下更是如此。另外，在機(jī)械手的模塊化控制設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)考慮的重要因素是電機(jī)的負(fù)載問題。設(shè)計(jì)目標(biāo)既要保證機(jī)械手有足夠的力矩輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)文獻(xiàn)的有效拾取，又要防止由于電機(jī)自身過重帶來額外的內(nèi)部消耗。

四、結(jié)語

圖書館智能化文獻(xiàn)自動(dòng)拾取機(jī)器人技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，給圖書館文獻(xiàn)資源管理工作中的典藏環(huán)節(jié)以及圖書館讀者服務(wù)工作中的流通環(huán)節(jié)都帶來了巨大的變革。隨著更多圖書館智能化機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用與普及，圖書館將會(huì)以全新的智能化面貌面向讀者，為讀者帶來更加便捷的服務(wù)，為圖書館節(jié)約更多的人力資源，圖書館就可以有更多的人手從事更具有創(chuàng)造性和獨(dú)特專業(yè)性的數(shù)字化文獻(xiàn)資源管理工作和數(shù)字化文獻(xiàn)資源服務(wù)工作。

[1]方建軍,張曄.圖書館圖書自動(dòng)存取機(jī)器人的研究與應(yīng)用[J].圖書館建設(shè),2012(7).

[2]趙晉芳,張海華,郭太君.一種圖書搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)[J].福建質(zhì)量管理,2016(4).

[3]李雙岑.服務(wù)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].電子世界,2017(1).

[4]機(jī)器人找書路徑最短,南大圖書館有了“最強(qiáng)大腦”[EB/0L].http://www.chnlib.com/News/2017-02/98300.html.

[5]周毅鈞,陳勇明.工業(yè)機(jī)器人拾取系統(tǒng)[J].化學(xué)工程與裝備,2016(10).

[6]王宏,楊志成,任惠榮.圖書上下架機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其機(jī)器手的樣機(jī)試驗(yàn)[J].電子世界,2017(2).

G250；TP399

A

1005-9652（2017）04-0123-03

（責(zé)任編輯：虞志堅(jiān)）

朱曉霞（1980-），女，青海民和人，鐵道警察學(xué)院圖書館館員，研究方向：圖書館讀者服務(wù)。