CN105127991A - 图书自主取放机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种图书自主取放机构，适用于面对书架自主取书和放书功能的实现。本发明包括了滚轮机械臂、平台、导轨组合以及寄存书架。其特征是：滚轮机械臂为对称结构，朝向书架，可做开合运动，内部的滚轮可以转动用以传送图书；平台位于滚轮机械臂下方，为图书提供支撑；导轨组合由三个导轨组成，使机械臂实现三维运动；寄存书架在滚轮机械臂的后端之后，开口朝向外部书架。其优点在于在无需改造外部书架的基础上，实现了图书管理工作自动化，减轻了图书馆工作人员的劳动强度。

Description

图书自主取放机构

技术领域

本发明涉及机器人，具体涉及一种图书自主取放机构，尤其是适用于图书馆图书全自动借还和整理实现的机构。

背景技术

随着现代图书馆藏书量的不断增加，图书管理将是一项越来越艰辛的工作。仅靠传统的人工操作不仅将浪费大量的时间、人力和财力，还会不可避免地出现很多错误，带来不必要的麻烦。尽管现在已经有很多图书馆采用贴条形码或RFID技术辅助图书的识别与管理，但这只是稍稍提高了效率，并没有从根本上解决问题。这时，以机器人为基础的运营自动化就成为了图书馆未来发展的必然趋势。

机器人代替人类员工完成图书的上下架、借取、归还、查错查重和其他管理操作，其执行效率高，正确率高，完全可以满足图书馆日常管理工作的需要。而目前关于这方面的研究并不多，且大多需要改造书架，实施难度大；或者单纯地用机械夹取手模拟人手，不但机构复杂、可行性低，而且实现的功能少，无法实现图书馆图书机器管理的完全自动化。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种图书自主取放机构。

根据本发明提供的一种图书自主取放机构，包括导轨组合、寄存书架，其特征在于，还包括滚轮机械臂、平台；

滚轮机械臂的前端朝向外部书架，后端朝向寄存书架；滚轮机械臂包括若干开合臂组；每个开合臂组内包括两个开合臂，开合臂组通过所述两个开合臂的远离和靠近实现开合运动，所述两个开合臂的相对面上均设置有用来转动以传送图书的滚轮，

用于为图书提供支撑的平台位于所述两个开合臂之间间隙的下方；

导轨组合主要由三个导轨组成，使滚轮机械臂实现三维运动；

寄存书架的开口朝向外部书架。

优选地，开合臂组的数量为两组，其中，较为靠近寄存书架的开合臂组记为内机械手，较为远离寄存书架的开合臂组记为外机械手；

由电机驱动的内机械手与外机械手沿前后方向依次设置；内机械手的后端朝向寄存书架，内机械手的前端朝向外机械手的后端，外机械手的前端朝向外部书架；

开合臂组中的两个开合臂镜像对称地分别设置在左右两侧；

外机械手中两个开合臂的前端分别延伸出一外夹板，构成一对用于夹取图书的外夹板；

内机械手中两个开合臂的后端分别延伸出一内夹板，构成一对用于夹取图书的内夹板。

优选地，一对外夹板中的两个外夹板均为正圆弧形，且凸弧面相对；一对内夹板中的两个内夹板均为正圆弧形，且凸弧面相对。

优选地，每组开合臂组中的两个开合臂相对面的对应位置处分别设置一滚轮，构成一对滚轮；每对滚轮之间的间距能够变化；滚轮由滚轮马达驱动。

优选地，滚轮的轴向为垂直方向；滚轮的中心轴的两端分别连接安装支架的两端，安装支架通过弹簧连接开合臂的内侧面；弹簧的形变形成每对滚轮之间的间距的变化。

优选地，弹簧穿在导向杆上，导向杆的外端连接开合臂的内侧面，导向杆的内端伸入安装支架的通孔内。

优选地，平台水平设置且表面光滑以允许图书在平台上表面滑动；平台的长度使得平台从寄存书架底面延伸至外部书架底面。

优选地，导轨组合包括X轴导轨、Y轴导轨以及Z轴导轨；滚轮机械臂在步进电机带动下，能够沿平行于寄存书架朝向方向、垂直于寄存书架朝向方向进行水平运动，并能够沿垂直于地面的竖直方向进行升降运动。

优选地，还包括取书控制装置，所述取书控制装置用于实现如下控制：

滚轮机械臂在摄像头的引导下，通过导轨组合运动，到达目标图书所在的位置，使平台和目标图书所在层的底面构成一个连续的面，使得目标图书能够通过这个连续的面从外部书架到达外机械手内部；

通过作为撑开夹紧装置电机使外机械手的两个外夹板前端分别对准目标图书与左右邻接图书的缝隙，然后使外机械手向前移动，使两外夹板前端分别插入目标图书与左右邻接图书的缝隙中；

通过撑开夹紧装置使外机械手的两个外夹板前端夹紧图书，然后通过Y轴导轨使外机械手向后移动，使目标图书移出，渐渐脱离其他图书并移动到平台上，此时目标图书后半部分仍未脱离其他图书；

通过撑开夹紧装置使外机械手的两个外夹板前端松开图书，由于目标图书后半部分仍未脱离其他图书，故目标图书保持直立状态不会倒下；然后启动外机械手的滚轮马达驱使使滚轮转动，并使外机械手向前移动，直到目标图书书背部分移动到最靠前的一对滚轮的中间，此时通过撑开夹紧装置使外机械手夹紧，从而目标图书被滚轮移动到外机械手后方，滚轮停止转动；

使平台对准寄存书架的一层；

通过撑开夹紧装置使内机械手张开至外机械手所张开的宽度，并开启外机械手和内机械手上的所有滚轮，将目标图书从外机械手后部传送至内机械手内，再传送至寄存书架内部；

通过撑开夹紧装置使内机械手在略微张开以松开目标图书，使内夹板从寄存书架隔层中抽出。

优选地，还包括还书控制装置，所述还书控制装置用于进行如下控制：

滚轮机械臂在摄像头的引导下，通过导轨组合运动，到达待还图书所在的位置，使平台和待还图书所在层的底面构成一个连续的面，使得待还图书能够通过这个连续的面从寄存书架到内机械手内部；

通过作为撑开夹紧装置的电机使内机械手的两个内夹板后端张开，向寄存书架内运动，夹紧待还图书，然后使内机械手向前移动，使待还图书部分被移出；

通过撑开夹紧装置使内机械手的两个内夹板后端松开图书，由于待还图书后半部分仍未脱离寄存书架隔层，故待还图书保持直立状态不会倒下；然后启动内机械手的滚轮马达驱使滚轮转动，并使内机械手向前移动，直到待还图书书背部分移动到最靠后的一对滚轮的中间，此时通过撑开夹紧装置使内机械手夹紧，从而待还图书被橡胶滚轮移动到内机械手前方，橡胶滚轮停止转动；

使外机械手的两个外夹板前端对准外部书架中待还图书所对应的缝隙，再使外夹板插入到目标缝隙中；

通过撑开夹紧装置使外机械手的两个外夹板前端张开，将缝隙两侧的书逐渐撑开，张开程度至内机械手所张开的宽度，停止运动；

开启外机械手和内机械手上的所有滚轮，将待还图书从内机械手前部传送至外机械手内，再传送至外部书架所撑开缝隙内，此时图书部分进入外部书架；

当待还图书脱离外机械手的最后一对滚轮后，外夹板仍处于夹紧状态，使外机械手向外部书架的内部运动，将待还图书完全送入外部书架被撑开缝隙内。

通过撑开夹紧装置使外机械手的两个外夹板前端略微张开以释放待还图书，使外夹板从外部书架缝隙中抽出。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明的机构设计创新实用，可行性强，实现性高而且较为美观。它有一套完整的灵活的机械臂，包括机械手、平台、前后挡板、撑开夹紧装置、引导板、滚轮、寄存书架、撞针等等。这些装置保证了机械臂的灵活性和准确性，以及对书籍的保护和存放，使取书放书能够安全有效地进行。

2、本发明的机构能够根据书的位置自动的通过X轴Y轴和Z轴进行调节，从而使机械手准确无误地取到书；然后通过平台和引导板以及挡板使书完好无损地放到寄存书架。可实现全自动化，极大地降低了人类图书馆员的劳动强度。

3、本发明可应用于普通图书馆，不需要对图书馆内书架进行改造，有良好的适应性。并且，本发明的机构设计新颖简单，便于检修和更换；使用的电压较低，很好地降低了火宅等安全隐患。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的整体结构图；

图2为本发明中滚轮机械臂细节图；

图3为本发明中滚轮机械臂俯视图；

图4为本发明中滚轮部分俯视细节图；

图5为本发明中滚轮部分侧面细节图。

图中：

1-外机械手；2-外夹板；3-内机械手；4-内夹板；5-平台；6-撑开夹紧装置；7-寄存书架；8-X轴导轨；9-Y轴导轨；10-Z轴导轨；11-车体；12-滚轮；13-导向杆；14-弹簧；15-通孔；16-安装支架；17-滚轮马达

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明涉及一种图书自主取放机构，适用于面对书架自主取书和放书功能的实现。本发明包括了滚轮机械臂、平台、导轨组合以及寄存书架。其中，滚轮机械臂为对称结构，前端朝向外部书架，后端朝向寄存书架，可在左右方向上做开合运动，滚轮机械臂内部的滚轮可以转动用以传送图书；平台位于滚轮机械臂下方，为图书提供支撑，即图书在平台上滑动；导轨组合由三个导轨组成，使机械臂实现三维运动；寄存书架在滚轮机械臂的后端之后，寄存书架开口朝向外部书架。其优点在于在无需改造外部书架的基础上，实现了图书管理工作自动化，减轻了图书馆工作人员的劳动强度。

根据本发发明提供的一种图书自主取放机构，包括导轨组合、寄存书架，其特征在于，还包括滚轮机械臂、平台；滚轮机械臂的前端朝向外部书架，后端朝向寄存书架；滚轮机械臂包括若干开合臂组；每个开合臂组内包括两个开合臂，开合臂组通过所述两个开合臂的远离和靠近实现左右方向上的开合运动，所述两个开合臂的相对面上均设置有用来转动以传送图书的滚轮，用于为图书提供支撑的平台位于所述两个开合臂之间间隙的下方；导轨组合主要由三个导轨组成，使滚轮机械臂实现三维运动；寄存书架的开口朝向外部书架。

开合臂组的数量为两组，其中，较为靠近寄存书架的开合臂组记为内机械手，较为远离寄存书架的开合臂组记为外机械手；由电机驱动的内机械手与外机械手沿前后方向依次设置；内机械手的后端朝向寄存书架，内机械手的前端朝向外机械手的后端，外机械手的前端朝向外部书架；开合臂组中的两个开合臂镜像对称地分别设置在左右两侧；外机械手中两个开合臂的前端分别延伸出一外夹板，构成一对用于夹取图书的外夹板；内机械手中两个开合臂的后端分别延伸出一内夹板，构成一对用于夹取图书的内夹板。

一对外夹板中的两个外夹板均为正圆弧形，且凸弧面相对；一对内夹板中的两个内夹板均为正圆弧形，且凸弧面相对。外夹板、内夹板用于伸入图书缝隙和夹取图书。

每组开合臂组中的两个开合臂相对面的对应位置处分别设置一滚轮，构成一对滚轮；每对滚轮之间的间距能够变化；滚轮由滚轮马达驱动。滚轮的轴向为垂直方向；滚轮的中心轴的两端分别连接安装支架的两端，安装支架通过弹簧连接开合臂的内侧面；弹簧的形变形成每对滚轮之间的间距的变化。弹簧穿在导向杆上，导向杆的外端连接开合臂的内侧面，导向杆的内端伸入安装支架的通孔内。

平台水平设置且表面光滑以允许图书在平台上表面滑动；平台的长度使得平台从寄存书架底面延伸至外部书架底面。导轨组合包括X轴导轨、Y轴导轨以及Z轴导轨；滚轮机械臂在步进电机带动下，能够沿平行于寄存书架朝向方向、垂直于寄存书架朝向方向进行水平运动，并能够沿垂直于地面的竖直方向进行升降运动。

本发明取书过程的具体实现：

滚轮机械臂在摄像头的引导下，通过X轴导轨8和Z轴导轨10的运动，到达目标图书所在的位置，使连接其上的平台5和目标图书所在层的底面构成一个连续的面，使得目标图书能够通过这个面从外部书架到达外机械手1内部。

通过撑开夹紧装置6使外机械手1的两个外夹板2末端分别对准目标图书与左右邻接图书的缝隙。然后通过Y轴导轨9使外机械手1向前移动，使两外夹板2末端分别插入目标图书与左右邻接图书的缝隙中。

通过撑开夹紧装置6使外机械手1的两个外夹板2末端夹紧图书，然后通过Y轴导轨9使外机械手1向后移动，使目标图书移出，渐渐脱离其他图书并移动到平台5上，此时目标图书后半部分仍未脱离其他图书。

通过撑开夹紧装置6使外机械手1的两个外夹板2末端松开图书，由于目标图书后半部分仍未脱离其他图书，故目标图书保持直立状态不会倒下。然后启动外机械手1的滚轮马达13，使六个橡胶滚轮12转动，并通过Y轴导轨9使外机械手1向前移动，直到目标图书书背部分移动到靠前的一对橡胶滚轮12的中间，此时通过撑开夹紧装置6使外机械手1快速夹紧，从而目标图书被橡胶滚轮12移动到外机械手1后方，橡胶滚轮12停止转动。

通过X轴导轨8和Z轴导轨10的运动，使平台5对准寄存书架7的某一没有图书的隔层。

通过撑开夹紧装置6使内机械手3张开至外机械手1所张开的宽度，并同时开启两机械手内的所有橡胶滚轮12，将书从外机械手1后部传送至内机械手3内，再传送至寄存书架7内部。

通过撑开夹紧装置6使内机械手3在原有基础上略微张开，将Y轴导轨9回复至初始位置，使内夹板3从寄存书架隔层中抽出。再将撑开夹紧装置6，X轴导轨8和Z轴导轨10分别回复至初始状态。

取书过程结束。

本发明还书过程的具体实现：

滚轮机械臂在摄像头的引导下，通过X轴导轨8和Z轴导轨10的运动，到达待还图书所在的位置，使连接其上的平台5和待还图书所在层的底面构成一个连续的面，使得目标图书能够通过这个面从寄存书架7到内机械手3内部。

通过撑开夹紧装置6使内机械手3的两个内夹板4末端张开，向寄存书架内运动，夹紧图书，然后通过Y轴导轨9使内机械手3向后移动，使待还图书部分被移出。

通过撑开夹紧装置6使内机械手3的两个内夹板4末端松开图书，由于待还图书后半部分仍未脱离寄存书架隔层，故待还图书保持直立状态不会倒下。然后启动内机械手3的滚轮马达13，使六个橡胶滚轮12转动，并通过Y轴导轨9使内机械手3向前移动，直到待还图书书背部分移动到靠前的一对橡胶滚轮12的中间，此时通过撑开夹紧装置6使内机械手3快速夹紧，从而目标图书被橡胶滚轮12移动到内机械手3后方，橡胶滚轮12停止转动。

通过X轴导轨8和Z轴导轨10的运动，使外机械手1的两个外夹板2末端对准外部书架中待还图书所对应的缝隙，再通过Y轴导轨9的运动，使外夹板2插入到目标缝隙中，以备撑开。

通过撑开夹紧装置6使外机械手1的两个外夹板2末端张开，将缝隙两侧的书逐渐撑开，张开程度至内机械手3所张开的宽度，停止运动。

开启两机械手内的所有橡胶滚轮12，使其转动，将书从内机械手3后部传送至外机械手1内，再传送至外部书架所撑开缝隙内，此时图书部分进入外部书架。

当书脱离外机械手1的最后一个橡胶滚轮12后，外夹板2仍处于夹紧状态，通过Y轴导轨9的向书架内部的运动，将书完全送入外部书架所撑开缝隙内。

在以上过程中，外夹板2的特殊弧形结构可以保证书不会在传送过程中发生倾倒或卷页的情况。

通过撑开夹紧装置6使外机械手1的两个外夹板2末端在原有基础上略微张开，Y轴导轨9回复至初始位置，使外夹板2从书架缝隙中抽出。再将撑开夹紧装置6，X轴导轨8和Z轴导轨10分别回复至初始状态。

还书过程结束。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种图书自主取放机构，包括导轨组合、寄存书架，其特征在于，还包括滚轮机械臂、平台；

滚轮机械臂的前端朝向外部书架，后端朝向寄存书架；滚轮机械臂包括若干开合臂组；每个开合臂组内包括两个开合臂，开合臂组通过所述两个开合臂的远离和靠近实现开合运动，所述两个开合臂的相对面上均设置有用来转动以传送图书的滚轮，

用于为图书提供支撑的平台位于所述两个开合臂之间间隙的下方；

导轨组合主要由三个导轨组成，使滚轮机械臂实现三维运动；

寄存书架的开口朝向外部书架。

2.根据权利要求1所述的图书自主取放机构，其特征在于，开合臂组的数量为两组，其中，较为靠近寄存书架的开合臂组记为内机械手，较为远离寄存书架的开合臂组记为外机械手；

由电机驱动的内机械手与外机械手沿前后方向依次设置；内机械手的后端朝向寄存书架，内机械手的前端朝向外机械手的后端，外机械手的前端朝向外部书架；

开合臂组中的两个开合臂镜像对称地分别设置在左右两侧；

外机械手中两个开合臂的前端分别延伸出一外夹板，构成一对用于夹取图书的外夹板；

内机械手中两个开合臂的后端分别延伸出一内夹板，构成一对用于夹取图书的内夹板。

3.根据权利要求2所述的图书自主取放机构，其特征在于，一对外夹板中的两个外夹板均为正圆弧形，且凸弧面相对；一对内夹板中的两个内夹板均为正圆弧形，且凸弧面相对。

4.根据权利要求1所述的图书自主取放机构，其特征在于，每组开合臂组中的两个开合臂相对面的对应位置处分别设置一滚轮，构成一对滚轮；每对滚轮之间的间距能够变化；滚轮由滚轮马达驱动。

5.根据权利要求4所述的图书自主取放机构，其特征在于，滚轮的轴向为垂直方向；滚轮的中心轴的两端分别连接安装支架的两端，安装支架通过弹簧连接开合臂的内侧面；弹簧的形变形成每对滚轮之间的间距的变化。

6.根据权利要求5所述的图书自主取放机构，其特征在于，弹簧穿在导向杆上，导向杆的外端连接开合臂的内侧面，导向杆的内端伸入安装支架的通孔内。

7.根据权利要求1所述的图书自主取放机构，其特征在于，平台水平设置且表面光滑以允许图书在平台上表面滑动；平台的长度使得平台从寄存书架底面延伸至外部书架底面。

8.根据权利要求1所述的图书自主取放机构，其特征在于，导轨组合包括X轴导轨、Y轴导轨以及Z轴导轨；滚轮机械臂在步进电机带动下，能够沿平行于寄存书架朝向方向、垂直于寄存书架朝向方向进行水平运动，并能够沿垂直于地面的竖直方向进行升降运动。

9.根据权利要求2所述的图书自主取放机构，其特征在于，还包括取书控制装置，所述取书控制装置用于实现如下控制：

滚轮机械臂在摄像头的引导下，通过导轨组合运动，到达目标图书所在的位置，使平台和目标图书所在层的底面构成一个连续的面，使得目标图书能够通过这个连续的面从外部书架到达外机械手内部；

通过作为撑开夹紧装置电机使外机械手的两个外夹板前端分别对准目标图书与左右邻接图书的缝隙，然后使外机械手向前移动，使两外夹板前端分别插入目标图书与左右邻接图书的缝隙中；

通过撑开夹紧装置使外机械手的两个外夹板前端夹紧图书，然后通过Y轴导轨使外机械手向后移动，使目标图书移出，渐渐脱离其他图书并移动到平台上，此时目标图书后半部分仍未脱离其他图书；

通过撑开夹紧装置使外机械手的两个外夹板前端松开图书，由于目标图书后半部分仍未脱离其他图书，故目标图书保持直立状态不会倒下；然后启动外机械手的滚轮马达驱使使滚轮转动，并使外机械手向前移动，直到目标图书书背部分移动到最靠前的一对滚轮的中间，此时通过撑开夹紧装置使外机械手夹紧，从而目标图书被滚轮移动到外机械手后方，滚轮停止转动；

使平台对准寄存书架的一层；

通过撑开夹紧装置使内机械手张开至外机械手所张开的宽度，并开启外机械手和内机械手上的所有滚轮，将目标图书从外机械手后部传送至内机械手内，再传送至寄存书架内部；

通过撑开夹紧装置使内机械手在略微张开以松开目标图书，使内夹板从寄存书架隔层中抽出。

10.根据权利要求2所述的图书自主取放机构，其特征在于，还包括还书控制装置，所述还书控制装置用于进行如下控制：

滚轮机械臂在摄像头的引导下，通过导轨组合运动，到达待还图书所在的位置，使平台和待还图书所在层的底面构成一个连续的面，使得待还图书能够通过这个连续的面从寄存书架到内机械手内部；

通过作为撑开夹紧装置的电机使内机械手的两个内夹板后端张开，向寄存书架内运动，夹紧待还图书，然后使内机械手向前移动，使待还图书部分被移出；

通过撑开夹紧装置使内机械手的两个内夹板后端松开图书，由于待还图书后半部分仍未脱离寄存书架隔层，故待还图书保持直立状态不会倒下；然后启动内机械手的滚轮马达驱使滚轮转动，并使内机械手向前移动，直到待还图书书背部分移动到最靠后的一对滚轮的中间，此时通过撑开夹紧装置使内机械手夹紧，从而待还图书被橡胶滚轮移动到内机械手前方，橡胶滚轮停止转动；

使外机械手的两个外夹板前端对准外部书架中待还图书所对应的缝隙，再使外夹板插入到目标缝隙中；

通过撑开夹紧装置使外机械手的两个外夹板前端张开，将缝隙两侧的书逐渐撑开，张开程度至内机械手所张开的宽度，停止运动；

开启外机械手和内机械手上的所有滚轮，将待还图书从内机械手前部传送至外机械手内，再传送至外部书架所撑开缝隙内，此时图书部分进入外部书架；

当待还图书脱离外机械手的最后一对滚轮后，外夹板仍处于夹紧状态，使外机械手向外部书架的内部运动，将待还图书完全送入外部书架被撑开缝隙内。

通过撑开夹紧装置使外机械手的两个外夹板前端略微张开以释放待还图书，使外夹板从外部书架缝隙中抽出。