CN102152293B - 图书上下架机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及图书上下架机器人，包括机器手和控制器，机器手包括：大臂，为双作用无杆气缸，双作用无杆气缸的滑块上安装小臂，两端装有位置传感器：小臂，由小臂电机和小臂气缸组成，小臂气缸由小臂电机驱动而作水平左右摆动：腕部电机，安装在小臂气缸的伸缩臂上：掌部气缸，由腕部电机驱动而作垂直左右摆动：手指，安装在掌部气缸的伸缩臂上，包括叉状分书器、连接于分书器两叉间的叉状夹书器、分书器电机、夹书器电机。本发明采用PLC的内部继电器与容栅传感器结合，完成对书本厚度的测量，最大限度利用PLC的内部资源，提高系统的可靠性、降低系统成本。用图书机器人管理图书，将劳动力从简单繁琐重复性工作中解脱出来，提高了图书馆的管理水平。

Description

图书上下架机器人

技术领域

本发明涉及图书上下架机器人。

背景技术

图书上下架是图书馆工作中主要的、重复量大的、关键的工作之一，大量的人工操作，与现代高速发展的科技不相匹配，特别是需要保密的资料室。随着机器人技术的发展，图书机器人将有可能取代这一工作。图书馆机器人上下架的控制的好坏直接影响到借阅图书工作质量，目前这一方面的研究很少。

发明内容

本发明的目的是提出一种图书上下架机器人，它采用PLC对扫描器信号进行编码，再结合伺服电机运动实现对图书位置的查找：厚度传感器和伺服电机的组合实现了图书上下架。图书馆机器人提高了上下架图书质量和生产效率。

本发明采用的技术方案如下：

一种图书上下架机器人，包括机器手和控制器，其特征在于机器手包括：

大臂，为一个由电机驱动沿书架水平直线移动的双作用无杆气缸，双作用无杆气缸的滑块上安装小臂，大臂的两端装有左右位置传感器：

小臂，由调节小臂水平左右摆动角度的小臂电机和驱动小臂前后伸缩的小臂气缸组成，小臂气缸由小臂电机驱动而作水平左右摆动：

腕部电机，安装在小臂气缸的伸缩臂上，用于调节掌部垂直左右摆动角度：

掌部气缸，用于驱动掌部上下伸缩，掌部气缸由腕部电机驱动而作垂直左右摆动：

手指，安装在掌部气缸的伸缩臂上，手指包括叉状分书器、连接于分书器两叉间的叉状夹书器、驱动分书器动作的分书器电机、驱动夹书器动作的夹书器电机。

进一步地：

所述分书器的两叉分别与夹书器的两叉之间铰接连杆：所述分书器电机通过丝杠螺母机构驱动分书器的两叉作伸出张开和收回合拢动作，所述夹书器电机通过丝杠螺母机构驱动夹书器的两叉作伸出张开和收回合拢动作。

所述手指上装有检测书本厚度的厚度传感器。

所述厚度传感器由装在分书器的两叉尖处的猫胡须传感器和装在分书器斜拉杆上或装在夹书器斜拉杆上的容栅传感器组成，猫胡须传感器输出的信号控制容栅传感器的启停。

所述控制器采用PLC电路，PLC根据所接受的各传感器的信号控制相应的电机和气缸。

所述机器手上装有条码扫描器，条码扫描器的RS232接口经电缆与PLC的RS232接口相连。

所述控制器采用PLC电路，所述厚度传感器输出的BCD信号接入PLC电路的内部继电器。本发明具有以下优点：

采用PLC的内部继电器与容栅传感器结合，完成对书本厚度的测量，最大限度利用PLC的内部资源，提高系统的可靠性、降低系统成本。用图书机器人管理图书，将劳动力从简单繁琐重复性工作中解脱出来，提高了图书馆的管理水平。

附图说明

图1为是机器手的运动轨迹示意图：

图2为图书机器人的机器手系统图：

图3为图书机器人的手指结构图：

图4为图书上下架控制系统图：

图5为猫胡须检测程序图：

图6为厚度传感器检测图：

图7为主程序流程图。

图中：1书架侧框 2手指 3腕部电机 4掌部气缸 5书 6右传感器 7左传感器 8大臂(双作用无杆气缸) 9小臂电机 10小臂气缸 11小臂气缸伸缩臂 12掌部气缸伸缩臂 20分书器斜拉杆 21猫胡须传感器 22分书器 23连杆 24夹书器 25夹书器电机 26分书器电机 27支架 28夹书器丝杠 29分书器丝杠

具体实施方式

本发明涉及一种图书上下架机器人，包括机器手和控制器。下面详细说明。

1图书馆机器人的工作原理

1.1图书馆机器人基本结构：

图书机器人由图书上下架的工作部分和行走部分组成。图书馆机器人机器手的工作区域是一个长方体，如图1所示机器手的主要动作是转动和直线移动，弧线箭头指示转动部分，直线箭头指示为直线运动。因此选用执行机构为转动副和移动副构成的复合运动副。转动副由步进电机实现，移动副由单、双作用气缸实现。

如图2所示，机器手包括：

大臂8，为一个由电机驱动而沿书架水平直线移动的双作用无杆气缸(底部装有行走轮)，该双作用无杆气缸的滑块上安装小臂，大臂的两端装有左右位置传感器7、6：

小臂，由调节小臂水平左右摆动角度的小臂电机9(采用伺服电机)和驱动小臂前后伸缩的小臂气缸10组成，小臂电机9采用伺服电机，小臂气缸10与小臂电机9的输出轴连接，可由小臂电机驱动而作水平左右摆动：

腕部电机3，采用伺服电机，腕部电机3安装在小臂气缸10的伸缩臂11的末端，用于调节掌部垂直方向的左右摆动角度：

掌部气缸4，用于驱动掌部上下伸缩，掌部气缸4与腕部电机3的输出轴连接，可由腕部电机驱动而作垂直左右摆动：

手指2，安装在掌部气缸4的伸缩臂12的末端。

如图3所示，手指2包括：叉状分书器22、连接于分书器22两叉间的叉状夹书器24、驱动分书器22动作的分书器电机26、驱动夹书器24动作的夹书器电机25。分书器22的两叉分别与夹书器24的两叉之间对称的铰接若干连杆23。分书器电机26和夹书器电机25装在支架27上，支架27固定在掌部气缸4的伸缩臂12的末端。其中：

分书器电机26通过丝杠螺母机构驱动分书器22的两叉作伸出张开和收回合拢动作：

夹书器电机25通过丝杠螺母机构驱动夹书器24的两叉作伸出张开和收回合拢动作。

手指上装有检测书本厚度的厚度传感器，该厚度传感器由猫胡须传感器21和容栅传感器(未示)组成。猫胡须传感器21装在分书器22的两叉尖处，容栅传感器的两个极板中，一个极板固定，另一极板装在分书器斜拉杆29上(或装在夹书器斜拉杆上)。猫胡须传感器输出的信号控制容栅传感器的启停。猫胡须传感器和容栅传感器的原理属公知技术，此不赘述。

本发明的控制器采用PLC电路，PLC根据所接受的各传感器的信号控制相应的电机和气缸。机器手上装有条码扫描器，条码扫描器的RS232接口经电缆与PLC的RS232接口相连。

1.2图书馆机器人的图书上、下架工作原理：

如图2所示，机器人面对书架平行站立，与书架之间的距离固定。机器人接到取图书指令后，将指令编码，再根据目标图书编码到达含有当前图书的书架旁边，机器人伸出机器手，安装在机器手正下方的扫描枪扫描前面图书的编码，与目标图书编码进行比较，PLC根据对比值控制阀岛，阀岛输出气压调整双作用无杆气缸8上的滑块实现左右直线运动，滑块带动上方的小臂电机9，小臂电机9转动可以调整小臂与书架之间的角度。小臂气缸10的伸缩可以调整机器手与书架之间的距离。腕部电机3旋转可以调整掌部与书的存放角度。掌部气缸4的伸缩可以调整手指2夹书的位置。

2控制系统结构以及工作原理

根据图书机器人的图书上下架工作原理，控制系统首先必须完成书本厚度的实时检测和目标位置检测。其中：

通过采用猫胡须传感器与容栅传感器相结合的方法实现书本厚度的实时检测。猫胡须传感器21装于分书器22的前侧，容栅传感器装在分书器连杆29和支架27上。分书前，猫胡须传感器21的触须接触图书，并做左右滑动，当触须滑动接触到图书的书脊时，输出信号，容栅传感器开始记录信号，当触须接触到两图书相邻位置时，触须因图书之间的间隙而发生跳跃，猫胡须传感器21不再产生信号，容栅传感器便停止记录信号。根据容栅传感器停止与开始记录信号的差值就可以转换成图书厚度。再经PLC处理完成对目标图书的存放状态、厚度的实时检测。猫胡须传感器21的分辨率为0.1毫米，可满足最小书本厚度检测的要求。

通过目标编码来实现直线单元直线区域的跟踪，通过左右传感器来实现换层。PLC对扫描枪测来的信号进行编码、输出信号控制伺服电机、驱动直线单元的运行。机器人查找图书时，整个机器人面对着图书架左右移动，机器人需要知道图书架的边缘，一般图书架为铁质材料，机器人大臂两侧分别装有金属传感器(左传感器7和右传感器6)，当机器人移动到极限(图书架左右两侧框1)位置时，该金属传感器感测到图书架金属边框产生信号，机器人不再左右移动。当小臂也移动到极限(机器人大臂两侧)位置时，若机器人还没有找到图书位置，则说明图书不在此层，需要换层。换层由具有上下运动功能的掌部气缸伸缩臂12完成。

3基于厚度控制的程序编制

3.1图书厚度的检测控制器为高速计数器工作模式，采用容栅传感器比较合适，如图4，容栅传感器的两个极板分别将采集到的书本厚度转换成二进制BCD信号(以4位为例，即A0、B0、C0、D0)，A0、B0、C0、D0分别接入PLC的内部继电器X20、X21、X22、X23输入端口，根据A0、B0、C0、D0的值PLC能判别书本的厚度。将书本度分成16等级，即将图书馆藏书按厚度分成十六个等级，最薄为一级，最厚为十六级，基本能满足机器人判别图书宽度的需要。采用厚度传感器响应速度快，PLC的处理器判别简单。猫胡须检测程序如图5所示：R100为控制器的内部继电器，当猫胡须开始接触书时闭合(ON)。R101为控制器的内部继电器，当猫胡须断开图书时闭合(ON)(说明：DECO是将WR13中的后4位数进行解码，即将4位BCD解码为16位二进制，数据放在WR15中。)

3.2深度传感器检测

图2所示，机器手安装在丝杠及滑轨上，夹书时夹书位置(深度)至关重要，采用容栅传感器比较合适，将容栅传感器的两个极板分别安装在机器手的小臂气缸10的内部和小臂气缸伸缩臂12上，因为伸缩臂12距离较大，采用32位BCD信号比较合适，传感器输出模拟0～5V信号精度更高，可以达到要求。深度传感器检测程序如图6所示：R120为控制器的内部继电器，猫胡须开始接触图书时，容栅传感器的输出值为闭合(ON)。R121为控制器的内部继电器，分书器夹到中心(因机器手到书架后侧板的距离是固定的，故图书中心为该距离减去猫胡须开始接触图书时容栅传感器的输出值再除以2)为闭合(ON)。(说明：DBIN指令将WR5字继电器8位BCD码按十进制转换为32bit二进制数据，结果存放于DT5、DT6数据寄存器中。)

3.3PLC对扫描器信号的识别

PLC的通信功能是指PLC读写外围设备的接点信息和数据寄存器中的内容，以实现数据采集运行状态的监控等功能。同样PLC可以读写扫描器数据寄存器中的内容信息，方法如下：1.用通讯电缆将PLC的RS232接口和扫描器的RS232接口相连，采用串行设置、传递波特率19200：2.再从PLC选项系统寄存器中进行设置：编程口N410选1，COM端口设置N412选2，传输格式N413设置奇偶校验，N414设置传输速率19200，N417设置串口接收数据首地址K100，N418串口接收数据容量设置K20。所选条码扫描器规格如下：

NLS-HR200W二维条码枪，软件支持：Windows系列。

识读参数，识读模式：CMOS摄像，分辨率：752*480，接口：RS232

识读码制：二维条码，汉信码，龙贝码等：

识读精度：≥3mil，提供光源：LED(630nm±10nm).

光源强度：300LUX(130mm)：识读景深：45mm～450mm

条码旋转灵敏度：360°

条码倾斜灵敏度：45°

条码偏转灵敏度：45°

为便于检索，图书都编有书目信息，书目信息一般是一排数字，计算机往往将其看作一个大数，因此只要把对应的数字转换成相应的脉冲，发送给PLC的X0端口即可。X0是高速计数端口，只有高速计数器才能读取较大的编码数据，特别注意的是在PLC下载梯形图时设置“寄存器端口设置”为“加计数输入(X0)复位输入(X2)”。说明加计数输入(X0，X1)复位输入(X2)，R9038为COM口接收完成标志，DT9044、DT9045为高速计数器经过值。

3.4图书上下架的主程序流程图

请参阅图7，当机器人处于待命状态时，判断有无图书目标信号，无则返回：有，则判断是图书上架还是下架、进行相应工作。下面以接到图书上架任务(插书)为例介绍工作流程。机器人将指令中的图书编号和当前的扫描信号相比较，根据比较得出值情况分为大、小、相等三种，在控制器的控制下，双作用汽缸对应地分别作出左移、右移、不移动的动作。当信号相等时，小臂伸出伸缩臂，猫胡须传感器接触到图书。分书器电机26带动丝杠29转动，而夹书器电机25不转动，使得分书器22向两侧张开。由于分书器22与夹书器24之间有4个连杆23连接，因此当分书器张开到与书同厚时，夹书器也张开到同样宽度，小臂伸缩臂继续伸出，将书送到达书架最里层。此后夹书器电机25开始工作，带动丝杠28转动，使得夹书器24向外运动并继续张开。此时有两种情况产生，一是分书器两侧图书架上图书被分开：二是夹书器张开到连杆23与夹书器24超过90度角时，夹书器24对图书的夹力逐渐减小，角度大到一定时变为零。此后小臂伸缩臂收回，夹书器、分书器依次闭合，最后整机复位。

小臂电机9和腕部电机3用来辅助调整机器手与图书之间的二维角度。

Claims (3)

1.一种图书上下架机器人，包括机器手和控制器，其特征在于机器手包括：

大臂，为一个由电机驱动沿书架水平直线移动的双作用无杆气缸，双作用无杆气缸的滑块上安装小臂，大臂的两端装有左右位置传感器；

小臂，由调节小臂水平左右摆动角度的小臂电机和驱动小臂前后伸缩的小臂气缸组成，小臂气缸由小臂电机驱动而作水平左右摆动；

腕部电机，安装在小臂气缸的伸缩臂上，用于调节掌部垂直左右摆动角度；

掌部气缸，用于驱动掌部上下伸缩，掌部气缸由腕部电机驱动而作垂直左右摆动；

手指，安装在掌部气缸的伸缩臂上，手指包括叉状分书器、连接于分书器两叉间的叉状夹书器、驱动分书器动作的分书器电机、驱动夹书器动作的夹书器电机；

所述控制器采用PLC电路，PLC根据所接受的各传感器的信号控制相应的电机和气缸；

所述机器手上装有条码扫描器，条码扫描器的RS232接口经电缆与PLC的RS232接口相连；

所述手指上装有检测书本厚度的厚度传感器，所述厚度传感器输出的BCD信号接入PLC电路的内部继电器。

2.如权利要求1所述的图书上下架机器人，其特征在于：

所述分书器的两叉分别与夹书器的两叉之间铰接连杆；

所述分书器电机通过丝杠螺母机构驱动分书器的两叉作伸出张开和收回合拢动作，

所述夹书器电机通过丝杠螺母机构驱动夹书器的两叉作伸出张开和收回合拢动作。

3.如权利要求1所述的图书上下架机器人，其特征在于：

所述厚度传感器由装在分书器的两叉尖处的猫胡须传感器和装在分书器斜拉杆上或装在夹书器斜拉杆上的容栅传感器组成，猫胡须传感器输出的信号控制容栅传感器的启停。

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