CN104851211A - 一种图书馆自动存取书系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种图书馆自动存取书系统，包括：信息交互终端、后台、引导系统和机器人。后台首先接收用户在信息交互终端选择的书籍信息，然后将位置发送至机器人，机器人根据引导系统自主运动至图书存取操作的目标位置，完成对目标图书的存取操作。该技术实现了对图书存取的自动化操作，降低了图书馆工作人员的劳动强度；同时，由于不需要铺设轨道，降低了前期投入成本与后期维护费用，并提高了整个存取书系统对于不同图书馆的适应性，特别适用于书架布局不规则的图书馆。

Description

一种图书馆自动存取书系统

技术领域

本发明涉及自动化设备系统领域，尤其涉及一种图书馆自动存取书系统。

背景技术

实现图书馆图书的自动化管理一直是图书馆管理工作的重要目标。目前，图书信息的采集及查询技术已经非常成熟。用户可以在图书馆终端设备上对馆藏图书信息进行实时查询。但是即使查询到用户所需要的图书信息，仍然需要用户亲自到达图书所在的区域进行取书操作。同时，在还书过程中，图书馆管理人员需要人工将归还的图书放置至指定区域，这导致了图书馆的人工成本较大。

公开号为CN101887616A的中国公开发明专利“一种自动化图书馆图书仓储存取设备”公开了一种图书仓储存取设备，但是这种存取设备对图书馆的平面形状要求较高，且需要预先铺设轨道，建设成本与系统维护成本巨大；同时，如果图书馆中存在死角，则轨道的铺设也存在盲区，无法实现回转，从而导致整个存取设备的适应性不高。

有鉴于此，有必要对现有技术中的图书馆中的自动存取书系统予以改进，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于公开一种图书馆自动存取书系统，以此降低前期投入成本与后期维护费用，并提高整个存取书系统对于不同图书馆的适应性。

为实现上述目的，本发明提出了一种图书馆自动存取书系统，包括：信息交互终端、后台、引导系统和机器人，后台首先接收用户在信息交互终端选择的图书信息，然后发送至机器人，机器人根据引导系统自主运动至图书存取操作的目标区域，以完成对目标图书的存取操作。

在一些实施例中，机器人由板状车身、垂直设置于板状车身的升降导轨、与升降导轨垂直设置的水平导轨以及设置于水平导轨末端的夹持部件组成。

在一些实施例中，板状车身底部设有四个由独立马达驱动的轮盘及第一摄像头。

在一些实施例中，升降导轨包括第一螺杆，内设电机的第一滑块，以及齿轮；水平导轨包括支撑板，齿条，设置于齿条上的电机，第二摄像头，与电机连接的输出齿轮，齿条设置于与第一滑块固定连接的支撑板上，齿轮与齿条啮合并驱动齿条实现前后位移。

在一些实施例中，水平导轨还包括平衡锤，平衡锤与夹持部件分别位于齿条的两端端部。

在一些实施例中，夹持部件包括第二螺杆，以及位于第二螺杆中心的输入齿轮，第二螺杆反向于输入齿轮的两侧分别设置第二滑块，第二滑块刚性连接用于夹持图书的夹板；

第二螺杆在输入齿轮的两侧设有两段反向螺纹，并嵌套第二滑块，输出齿轮驱动输入齿轮，以驱动夹板同向或者反向运动。

在一些实施例中，引导系统由坐标点、连接坐标点的引导线、若干位于引导线相交处的识别码组成，识别码包含引导线相交处的坐标信息，第一摄像头通过不断拍摄引导线、识别码引导机器人沿引导线运动至指定区域的坐标点。

在一些实施例中，识别码包括一维码、二维码。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：机器人根据引导系统的引导，实现了对图书存取操作的自动化，降低了图书馆工作人员的劳动强度；同时，由于不需要铺设轨道，降低了前期投入成本与后期维护费用，并提高了整个存取书系统对于不同图书馆的适应性，特别适合于布局不规则的图书馆。

附图说明

图1为本发明一种图书馆自动存取书系统的整体结构示意图；

图2为机器人的结构示意图；

图3为图2中标号A处的局部放大图；

图4为图2中水平导轨与夹持部件的放大图；

图5为引导系统的示意图；

图6为在四行六列书架布局的图书馆中机器人实现自主运动时各个位置点的示意图；

图7为图6中的图书馆的引导系统的矩阵化描述；

图8为机器人确定最优行驶路径的流程图。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

请参图1至图8所示的本发明一种图书馆自动存取书系统的一种具体实施方式。如图1所示，在本实施方式中，一种图书馆自动存取书系统10，包括：信息交互终端1、后台2、引导系统3和机器人4。后台2接收用户在信息交互终端1选择的图书信息并发送至机器人4，机器人4根据引导系统3自主运动至图书存取操作的目标区域，以完成对目标图书的存取操作。

具体而言，信息交互终端1可以是安装有图形操作界面的自助查询机，也可为安装有数据库查询系统的计算机。读者可在信息交互终端1上查询其所需要借阅的图书信息。该信息交互终端1接收到用户的指令后，将图书所在书架的位置信息、书名、ISBN信息等信息发送至后台2。具体的，后台2为具有数据库系统的服务器，数据库系统选用MySQL数据库。

后台2接收到用户选择的图书后，根据图书所在书架的位置信息、书名、ISBN信息等信息，确定机器人4的行驶轨迹。机器人4根据引导系统3自主行驶至目标图书所在的书架前，通过机器人4的夹持部件44从书架上对目标图书进行存取操作。

如图2所示，在本实施方式中，该机器人4由板状车身41、垂直设置于板状车身41的升降导轨42、与升降导轨42垂直设置的水平导轨43以及设置于水平导轨43末端的夹持部件44组成。板状车身41的底部设有四个由独立马达驱动的轮盘411及第一摄像头412。

如图3所示，升降导轨42包括第一螺杆421，内设电机的第一滑块422，以及齿轮423；水平导轨43包括支撑板431，齿条432，设置于齿条432上的电机433，第二摄像头434，与电机433连接的输出齿轮435。齿条432设置于与第一滑块422固定连接的支撑板431上，齿轮423与齿条432啮合并驱动齿条432实现前后位移。支撑板431的两端通过连接件4310实现与齿条432的固定连接。

如图4所示，夹持部件44包括第二螺杆441，以及位于第二螺杆441中心的输入齿轮442，第二螺杆441反向于输入齿轮442的两侧分别设置第二滑块443，第二滑块443刚性连接夹持图书的夹板444。具体的，该第二螺杆441在输入齿轮442的两侧设有两段反向螺纹，并嵌套第二滑块443，输出齿轮435驱动输入齿轮442，使驱动夹板444同向或者反向运动，从而实现对图书的夹取。

作为更优选的实施方案，水平导轨43还可设置平衡锤436，平衡锤436与夹持部件44分别位于齿条432的两端端部，用以在夹持部件44夹持图书时，保证整个水平导轨43的平衡，防止机器人4发生倾倒现象。

如图5所示，在本实施方式中，该引导系统3由坐标点31、连接坐标点31的引导线32、若干位于引导线32相交处的识别码33组成，识别码33包含引导线32相交处的坐标信息。该第一摄像头412通过不断拍摄引导线32、识别码33引导机器人4沿引导线32运动至指定区域的坐标点31。具体的，该识别码包括一维码、二维码，并进一步优选为二维码。

同时，板状车身41底部所设置的第一摄像头412在机器人自主行驶过程中，对引导线32的斜率进行实时监测，确保引导线32在图像中的垂直度，确保引导线32在由第一摄像头412所形成的视频图像中垂直；同时，利用PID控制算法控制轮盘411的转动方向，确保机器人4沿着引导线32直线行走。

进一步的，机器人4在存取书过程中能够根据图书馆中各个书架之间的引导线32实现自主导航并找出最优选的行驶路线。具体而言，在本实施方式中，引导线32是五厘米宽的黑色胶带。如图6所示，机器人4在执行取书或者还书动作之前位于借还书处11，机器人4能够沿着引导线32在图书馆中自主导航并执行取书或者还书动作。

在图书馆地面上，将机器人4进行行驶的路径覆盖五厘米宽的黑色胶带，该黑色胶带构成引导线32。当然，可以将黑色胶带替换成由黑漆刷成的黑色引导线32或者与地面颜色显著区别的其他指示标志。同时，在引导线32相交的交点处设置一个识别码33，例如二维码。机器人4的板状车身41底部所设置的第一摄像头412通过读取识别码33来获取机器人4在图书馆中的具体坐标位置。

本实施方式所公开的图书馆自动存取书系统10，由于不需要铺设轨道，降低了前期投入成本与后期维护费用，并提高了整个存取书系统对不同图书馆的适应性，特别适合于布局不规则的图书馆。

参图7所示，以横坐标方向位置标记个数n为矩阵F的列数，以纵坐标方向位置标记个数m作为矩阵F的行数，具体的，在图7中，n＝6，m＝4。将可转弯的位置标记设为2，其余位置标记设为1，书架5所在的位置标记设为0，从而得到如图7所示的图书馆引导系统的矩阵化表示。进一步的，引导线32围绕着书架5设置。其中，每一个书架5的延长度方向上设置五个位置标记320，每一个书架5的宽度方向上设有三个位置标记320。

对图书馆中的所有图书进行编号，假设图书馆共有N本书，每本书对应的编号为i(z)，其z＝1,2,...N。将它们在F中的位置保存为f(i(z))＝(x_i(z),y_i(z))，表示该书在矩阵中的第x_i(z)行y_i(z)列。

根据还书的规则，机器人4在借还书处11进行了一次取书动作s，共取了j本书要还到书架上，假设这j本书的编号为i(s₁),i(s₂),...i(s_j)，将借还书处11的编号设为i(0)，则其位置为f(i(0))＝(x₀,y₀)。

还书过程的路径相当于从(x₀,y₀)出发，按任意顺序逐个经过i(s₁)到i(s_j)这j本书所在的位置，最终回到(x₀,y₀)所经历的过程。

接下来，机器人4内置的微处理器(未示出)根据具体的还书或者取书的执行动作及书本数量，最优选的行驶路线，具体如下所示。

粗略认为从书的位置到之间的距离为 $l\left(i\right(s_a),i\left(s_b\right))=|x_{i\left(s_a\right)}-x_{i\left(s_b\right)}|+|y_{i\left(s_a\right)}-y_{i\left(s_b\right)}|,$ 选择一套还书的顺序(k₁,k₂,...k_j)，其中对于 $\∀p=1,2,...j,k_p=1,2,...j,$ 且对于当p₁≠p₂时，

则总的路径 $L=l(i\left(0\right),i\left(s_{k_1}\right))+l(i\left(s_{k_j}\right),i\left(0\right))+\underset{p=1}{\overset{j-1}{\Σ}}l(i\left(s_{k_p}\right),i\left(s_{k_{p+1}}\right)),$ 选取其中最短的一条路径，则其顺序为：

$\{{\hat{k}}_1,{\hat{k}}_2,\mathrm{...}{\hat{k}}_j\}=\arg \underset{k_1,k_2,\mathrm{...}{k}_j}{\min }l(i\left(0\right),i\left(s_{k_1}\right))+l(i\left(s_{k_j}\right),i\left(0\right))+\underset{p=1}{\overset{j-1}{\Σ}}l(i\left(s_{k_p}\right),i\left(s_{k_{p+1}}\right)).$

然后，机器人4开始确定两本书之间的精确路径。

已知两点和从A到B寻找它们之间的具体路径。准则：

(1)选取这两点之间的最短路径；

(2)相同距离选择拐弯次数较少的。

作行列的子矩阵F₁，F₁中对应点数值与F中数值相等，同时作运算矩阵F₀，其行数与列数均与F₁相同，其值除了其中的A点为1，其余值均为0。

我们希望找到的路径是能够连通A点和B点的最短的那条路径，我们首先来确定这条路径所在的最小范围，显然可知，上述的子矩阵F₁是这个最小范围的必要条件，在某些情况下，F₁即为这个最小范围，如图6中所示的A₁、B₁点及其子矩阵F₁，但在某些情况下，子矩阵F₁中A点和B点是不连通的，如图6中的A₂和B₂点，此时则需要将这个子矩阵的范围进一步扩大，再确定其连通性。连通性的测试采用膨胀算法g(F₀)及与运算∩，g(F₀)是将F₀中值不为0的点向上下左右四个方向的值进行置1，F₂∩F₁是将F₂和F₁中对应点的值进行与运算，规定

1∩0＝0,0∩1＝0,0∩2＝0,2∩0＝0,0∩0＝0,1∩2＝0,2∩1＝2,2∩2＝2

具体请参图8所示。

当第一次确定的F₁的大小不满足要求时，新的F₁会分为向上扩展和向下扩展两个方向，一般这两个方向最终都能得到连通A、B的方法，但是距离可能会不同，我们通过膨胀步数r的大小来选择，取较小的值。比如图1中从A₂到B₂，向上扩展最终膨胀步数r＝13，向下扩展最终膨胀步数r＝11，因此选择F₂。当确定了F₂之后，首先确定与A点同一列的值为2的转弯点，在寻找与此点同一行，与B点同一列的值为2的转弯点即可，连接这几个点便可以得到从A到B的完整路径。

具体的，每一本图书在书架5上都有一个唯一的编码。通过该第二摄像头434，可以对目标图书的图书编码或者ISBN信息或者图书馆自行赋予的特定条码进行扫描，并将扫描形成的数据通过无线网路发送至后台2进行比对，用户所要借阅的图书信息与书架编码一致，或者需要进行还书操作的图书信息与书架编码一致，则由后台2向机器人4发出停止指令，轮盘411停止转动。最后，由夹持部件44完成取书或者还书的操作。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种图书馆自动存取书系统，其特征在于，包括：

信息交互终端(1)、后台(2)、引导系统(3)和机器人(4)，

所述后台(2)接收用户在信息交互终端(1)选择的书籍信息并将其位置发送至机器人(4)，机器人(4)根据引导系统(3)自主运动至图书存取操作的目标位置，完成对目标图书的存取操作。

2.根据权利要求1所述的图书馆自动存取书系统，其特征在于，所述机器人(4)由板状车身(41)、垂直设置于板状车身的升降导轨(42)、与升降导轨垂直设置的水平导轨(43)以及设置于水平导轨末端的夹持部件(44)组成。

3.根据权利要求2所述的图书馆自动存取书系统，其特征在于，所述板状车身(41)底部设有四个由独立马达驱动的轮盘(411)及第一摄像头(412)。

4.根据权利要求2所述的图书馆自动存取书系统，其特征在于，

所述升降导轨(42)包括第一螺杆(421)，内设电机的第一滑块(422)，以及齿轮(423)；

所述水平导轨(43)包括支撑板(431)，齿条(432)，设置于齿条上的电机(433)，第二摄像头(434)，与电机连接的输出齿轮(435)，所述齿条(432)设置于与第一滑块(422)固定连接的支撑板(431)上，所述齿轮(423)与齿条(432)啮合并驱动齿条(432)实现前后位移。

5.根据权利要求4所述的图书馆自动存取书系统，其特征在于，所述水平导轨(43)还包括平衡锤(436)，所述平衡锤(436)与夹持部件(44)分别位于齿条(432)的两端端部。

6.根据权利要求4所述的图书馆自动存取书系统，其特征在于，所述夹持部件(44)包括第二螺杆(441)，以及位于第二螺杆中心的输入齿轮(442)，所述第二螺杆(441)反向于输入齿轮的两侧分别设置第二滑块(443)，所述第二滑块(443)刚性连接夹持图书的夹板(444)；

所述第二螺杆(441)在输入齿轮(442)的两侧设有两段反向螺纹，并嵌套所述第二滑块(443)，所述输出齿轮(435)驱动输入齿轮(442)，使驱动夹板(444)同向或者反向运动。

7.根据权利要求2所述的图书馆自动存取书系统，其特征在于，所述引导系统(3)由坐标点(31)、连接坐标点的引导线(32)、若干位于引导线相交处的识别码(33)组成，所述识别码标记引导线(32)相交处的坐标信息，所述第一摄像头(412)通过不断拍摄引导线(32)、识别码(33)引导机器人(4)沿引导线(32)运动至指定位置的坐标点(31)。

8.根据权利要求7所述的图书馆自动存取书系统，其特征在于，所述识别码(33)包括一维码、二维码。