CN109955230A - 一种图书管理机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种图书管理机器人，包括移动机构、夹取机构和支架机构；所述的支架机构设于移动机构上，所述的夹取机构活动连接于支架机构上并可实现竖直升降；所述的夹取机构包括移动板、双进步电机、夹板组件和扩板组件；所述的双进步电机设于移动板上；所述的夹板组件和扩板组件上均设有垂直齿异向旋转同步扩缩部件，所述的垂直齿异向旋转同步扩缩部件可使得夹板组件和扩板组件上的两块夹板或扩板同步同速在两侧分离/合拢。与现有技术相比，本发明通过垂直齿异向旋转同步扩缩部件，可使得夹板组件和扩板组件上的两块夹板或扩板同步同速在两侧分离/合拢，实现了双向同步的扩板动作，解决了当前单向的撑开位移造成的弊端。
Description
技术领域
本发明涉及机器人领域，尤其是涉及一种图书管理机器人。
背景技术
现代图书馆藏书量的巨大，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。但现有的图书管理机器人通常会出现夹取力不足、书籍放入困难、两端书籍难以扩开以及取书板移动行程过长容易导致存书过程中的二次带出等问题。
CN104875177B提供了一种智能图书管理机器人，适用于图书馆图书全自动借还和整理的实现。本发明包括了可巡线和避障的自主移动车、寄存书架、放书篮、图书取放机构以及控制装置。其特征是：移动车根据地面标志及标志线进行移动，用于实现避障和巡线的机构安装在小车头部；寄存书架为特制结构，朝向与小车前进方向相同；图书取放机构，用导轨的组合来实现上下、左右和前后方向的运动，机构末端是撑书臂和取书臂构成的复合机械臂，具备伸缩、撑开和夹紧的功能。在以上技术方案中，一个撑书板相对于撑书臂的臂体固定，另一个撑书板通过可旋转的轴连接于撑书臂的臂体上，两个撑书板在控制装置的控制下，执行撑开及收拢动作，该种撑书板结构只能实现单向的撑开运动，不利于处理紧密布置的图书摆放场景，会出现单向的撑开位移不足而难以实现图书的放入。另一方面，该技术方案中采用单纯的夹书板实现书籍的放入与取出，这样会导致取书板的移动行程过长，导致液压伸缩装置的体积增加，不利于整体装置的设计，并且取书板移动行程过长容易导致存书过程中的二次带出。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种图书管理机器人。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种图书管理机器人，包括移动机构、夹取机构和支架机构；
所述的支架机构设于移动机构上，所述的夹取机构活动连接于支架机构上并可实现竖直升降；
所述的移动机构包括底盘和轴接于底盘上的转轮；
所述的夹取机构包括移动板、双进步电机、夹板组件和扩板组件；
所述的双进步电机设于移动板上，所述的夹板组件和扩板组件连接于双进步电机上，扩板组件可将两侧书籍扩开后由夹板组件实现书籍的取放；
所述的夹板组件和扩板组件上均设有垂直齿异向旋转同步扩缩部件，所述的垂直齿异向旋转同步扩缩部件可使得夹板组件和扩板组件上的两块夹板或扩板同步同速在两侧分离/合拢。
进一步地，所述的垂直齿异向旋转同步扩缩部件包括主动冠齿、从动直齿轮、横向丝杆和丝杆螺母滑块；
所述的主动冠齿与双进步电机上的输出轴连接，从动直齿轮分布于主动冠齿的径向两侧并与主动冠齿啮合；
所述的横向丝杆连接于从动直齿轮上并被动直齿轮带动旋转；
所述的丝杆螺母滑块套于横向丝杆上，丝杆螺母滑块在横向丝杆的转动带动下向两侧分离/合拢；
所述的夹板和扩板连接于丝杆螺母滑块上。
进一步地，所述的支架机构包括升降丝杆、支杆和升降电机；
所述的支杆垂直设于底盘上，所述的移动板上开设有预留孔，移动板通过预留孔活动穿套于支杆上；
所述的升降丝杆一端连接于升降电机，另一端连接于移动板上，并可带动移动板垂直升降。
进一步地，所述的图书管理机器人还包括平行校正机构，所述的平行校正机构包括超声波测距模块和激光测距模块；
所述的超声波测距模块和激光测距模块均在移动板的同一侧分布有2个，所述的超声波测距模块用于初次的测距与比对，所述的激光测距模块用于二次的测距与比对。
为保证图书管理机器人在取书时能与书架保持平行，首先在离书架较远的情况下先使用位于车体同一侧的平行的超声波测距传感器，测量两点之间的距离然后比较大小先以较不精准的方式来进行粗的平行保证，在确定不平行的情况下可以通过四个麦克纳姆轮不同的旋向来使得车体旋转，在较为靠近书架之后通过使用激光测距模块来进行较为精准的平行度调整。
进一步地，所述的双进步电机的两个输出轴上下分布，所述的夹板组件连接于上端的输出轴上，所述的扩板组件连接于下端的输出轴上。
进一步地，所述的扩板组件下方水平设有红外补光摄像头，所述的红外补光摄像头用于扫描书架上的标号图片，并通过OCR方法获取标号信息。
该种红外补光摄像头，通过两侧的两个光敏电阻对外界环境光进行检测，当环境光较弱时，光敏电阻值降低，补光灯会自动打开。
进一步地，所述的底盘上设有RFID扫描模块，RFID扫描模块与设于书架上的RFID标签匹配。
进一步地，所述的转轮为麦克纳姆轮。
进一步地，所述的转轮上设有驱动电机和转向器，所述的驱动电机用于驱动转轮转动，所述的转向器用于驱动转轮换向。
进一步地，所述的图书管理机器人还包括处理器，所述的处理器为ARM处理器，所述控制器与RFID扫描模块、超声波测距模块、激光测距模块、红外补光摄像头、双进步电机、夹板组件、扩板组件、驱动电机和转向器电连接。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明通过垂直齿异向旋转同步扩缩部件，可使得夹板组件和扩板组件上的两块夹板或扩板同步同速在两侧分离/合拢，实现了双向同步的扩板动作，解决了当前单向的撑开位移造成的弊端。
2)本发明的双向同步的扩板/并拢结构可实现首先将书本部分放入书架上目标位置，并使得夹板组件相对并拢，如此便可进行书本的侧向推进，节省了夹板的移动行程，减少了气/电缸部件的设计空间，使得整体结构简单，运行效率高。
3)本发明中采用了平行校正机构，通过超声波测距模块进行初次的测距与比对，激光测距模块进行二次的测距与比对，使得机器人侧方能够保证与书架的精确平行。
附图说明
图1为本发明中图书管理机器人的结构示意图；
图2为本发明中垂直齿异向旋转同步扩缩部件的结构示意图。
图中：1、移动机构，11、底盘，12、转轮，2、夹取机构，21、移动板，22、双进步电机，23、夹板组件，24、扩板组件，3、支架机构，31、升降丝杆，32、支杆，33、升降电机，4、处理器，51、主动冠齿，52、从动直齿轮，53、横向丝杆，54、丝杆螺母滑块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本实施例中的图书管理机器人包括移动机构1、夹取机构2和支架机构3参见图1。
支架机构3部分：设于移动机构1上，所述的夹取机构2活动连接于支架机构3上并可实现竖直升降；支架机构3包括升降丝杆31、支杆32和升降电机33；所述的支杆32垂直设于底盘11上，所述的移动板21上开设有预留孔，移动板21通过预留孔活动穿套于支杆32上；所述的升降丝杆31一端连接于升降电机33，另一端连接于移动板21上，并可带动移动板21垂直升降。
移动机构1部分：包括底盘11和轴接于底盘11上的转轮12；所述的底盘11上设有RFID扫描模块，RFID扫描模块与设于书架上的RFID标签匹配。所述的转轮12为麦克纳姆轮，所述的转轮12上设有驱动电机和转向器，所述的驱动电机用于驱动转轮12转动，所述的转向器用于驱动转轮12换向。
夹取机构2部分：包括移动板21、双进步电机22、夹板组件23和扩板组件24。所述的双进步电机22设于移动板21上，所述的夹板组件23和扩板组件24连接于双进步电机22上，扩板组件24可将两侧书籍扩开后由夹板组件23实现书籍的取放。夹板组件23和扩板组件24上均设有垂直齿异向旋转同步扩缩部件，所述的垂直齿异向旋转同步扩缩部件可使得夹板组件23和扩板组件24上的两块夹板或扩板同步同速在两侧分离/合拢。扩板组件24下方水平设有红外补光摄像头，所述的红外补光摄像头用于扫描书架上的标号图片，并通过OCR方法获取标号信息。所述的该种红外补光摄像头，通过两侧的两个光敏电阻对外界环境光进行检测，当环境光较弱时，光敏电阻值降低，补光灯会自动打开。
垂直齿异向旋转同步扩缩部件包括主动冠齿51、从动直齿轮52、横向丝杆53和丝杆螺母滑块54，参见图2；所述的主动冠齿51与双进步电机22上的输出轴连接，从动直齿轮52分布于主动冠齿51的径向两侧并与主动冠齿51啮合；所述的横向丝杆53连接于从动直齿轮52上并被动直齿轮52带动旋转；所述的丝杆螺母滑块54套于横向丝杆53上，丝杆螺母滑块54在横向丝杆53的转动带动下向两侧分离/合拢；所述的夹板和扩板连接于丝杆螺母滑块54上。双进步电机22的两个输出轴上下分布，所述的夹板组件23连接于上端的输出轴上，所述的扩板组件24连接于下端的输出轴上。
平行校正机构：平行校正机构包括超声波测距模块和激光测距模块。超声波测距模块和激光测距模块均在移动板21的同一侧分布有2个，所述的超声波测距模块用于初次的测距与比对，所述的激光测距模块用于二次的测距与比对。为保证图书管理机器人在取书时能与书架保持平行，首先在离书架较远的情况下先使用位于车体同一侧的平行的超声波测距传感器，测量两点之间的距离然后比较大小先以较不精准的方式来进行粗的平行保证，在确定不平行的情况下可以通过四个麦克纳姆轮不同的旋向来使得车体旋转，在较为靠近书架之后通过使用激光测距模块来进行较为精准的平行度调整。
处理器4部分：所述的处理器4为ARM处理器，所述控制器4与RFID扫描模块、超声波测距模块、激光测距模块、红外补光摄像头、双进步电机22、夹板组件23、扩板组件24、驱动电机和转向器电连接。处理器4用于获得RFID扫描模块、超声波测距模块、激光测距模块、红外补光摄像头的信息，进行综合分析，并向夹板组件23、扩板组件24、驱动电机和转向器做出指令。
取书装置在未工作时，取放书挡扩板处于挡且退回的状态，同时取放书书爪处于关闭且退回的状态。在通过图像处理对书籍进行定位之后，读取到书的宽度及高度信息之后，取放书抓与取放书挡扩板将按照书的高度选则合适的高度升降，为后续工作做准备，之后取放书爪与取放书挡扩板将按照图像处理所得到的信息同时朝向书的方向移动并逐步张开，垂直齿异向旋转同步扩缩结构保证了取放书爪和取放书挡扩板的两边能够同步同速且反向的向两侧移动，之后取放书挡扩板将扩至被取书1.5倍的宽度，以保证在取书的过程中不会因为摩擦力的原因导致非被取书的带下，然后放书挡扩板将首先碰触到被取书的两侧的书籍，其上的薄膜式压力传感器将会将相关受力信息告知智能图书管理员机器人，然后取放书挡扩板将停止向前运动，与此同时取放书爪以扩至与所取书稍宽，但不会碰到其两侧书的宽的，即刚好保证取放书爪能够恰好做到将两板插入书缝间，且不损坏被取书，在插入完成之后，取放书爪将向中间经行移动对被取书将有一个加持力，而此加持力的信息可通过取放书爪上的薄膜压力传感器获取压力信息进而保证书能够即被取出又能够保证是一个温和的力，即保证加持书籍的力不可能破坏书籍。
放书的流程为：首先通过查询获取到当前带待放书应所处位置，然后找到对应的书缝，然后取放书挡扩板在退位且移至两端最远处的情况下，通过舵机的控制，取放书挡扩板由挡的状态变为扩的状态，然后向前移动插入书缝中之后扩开并扩至比待放书稍宽的状态，然后取放书爪将先塞入2/3后，然后取放书爪张开，将书放松后退出，之后退出取放书爪，在取放书爪完全退出后，取放书爪合拢并再次向前将书顶入，而书籍的到位确认靠安装在取放书挡扩板上的光电门，待书完全放置完成后书籍将不再遮挡光电门，故可得到合适的信号，随后所有的装置复位。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种图书管理机器人，其特征在于，包括移动机构(1)、夹取机构(2)和支架机构(3)；
所述的支架机构(3)设于移动机构(1)上，所述的夹取机构(2)活动连接于支架机构(3)上并可实现竖直升降；
所述的移动机构(1)包括底盘(11)和轴接于底盘(11)上的转轮(12)；
所述的夹取机构(2)包括移动板(21)、双进步电机(22)、夹板组件(23)和扩板组件(24)；
所述的双进步电机(22)设于移动板(21)上，所述的夹板组件(23)和扩板组件(24)连接于双进步电机(22)上，扩板组件(24)可将两侧书籍扩开后由夹板组件(23)实现书籍的取放；
所述的夹板组件(23)和扩板组件(24)上均设有垂直齿异向旋转同步扩缩部件，所述的垂直齿异向旋转同步扩缩部件可使得夹板组件(23)和扩板组件(24)上的两块夹板或扩板同步同速在两侧分离/合拢。
2.根据权利要求1所述的一种图书管理机器人，其特征在于，所述的垂直齿异向旋转同步扩缩部件包括主动冠齿(51)、从动直齿轮(52)、横向丝杆(53)和丝杆螺母滑块(54)；
所述的主动冠齿(51)与双进步电机(22)上的输出轴连接，从动直齿轮(52)分布于主动冠齿(51)的径向两侧并与主动冠齿(51)啮合；
所述的横向丝杆(53)连接于从动直齿轮(52)上并被动直齿轮(52)带动旋转；
所述的丝杆螺母滑块(54)套于横向丝杆(53)上，丝杆螺母滑块(54)在横向丝杆(53)的转动带动下向两侧分离/合拢；
所述的夹板和扩板连接于丝杆螺母滑块(54)上。
3.根据权利要求1所述的一种图书管理机器人，其特征在于，所述的支架机构(3)包括升降丝杆(31)、支杆(32)和升降电机(33)；
所述的支杆(32)垂直设于底盘(11)上，所述的移动板(21)上开设有预留孔，移动板(21)通过预留孔活动穿套于支杆(32)上；
所述的升降丝杆(31)一端连接于升降电机(33)，另一端连接于移动板(21)上，并可带动移动板(21)垂直升降。
4.根据权利要求1所述的一种图书管理机器人，其特征在于，所述的图书管理机器人还包括平行校正机构，所述的平行校正机构包括超声波测距模块和激光测距模块；
所述的超声波测距模块和激光测距模块均在移动板(21)的同一侧分布有2个，所述的超声波测距模块用于初次的测距与比对，所述的激光测距模块用于二次的测距与比对。
5.根据权利要求1所述的一种图书管理机器人，其特征在于，所述的双进步电机(22)的两个输出轴上下分布，所述的夹板组件(23)连接于上端的输出轴上，所述的扩板组件(24)连接于下端的输出轴上。
6.根据权利要求4所述的一种图书管理机器人，其特征在于，所述的扩板组件(24)下方水平设有红外补光摄像头，所述的红外补光摄像头用于扫描书架上的标号图片，并通过OCR方法获取标号信息。
7.根据权利要求6所述的一种图书管理机器人，其特征在于，所述的底盘(11)上设有RFID扫描模块，RFID扫描模块与设于书架上的RFID标签匹配。
8.根据权利要求7所述的一种图书管理机器人，其特征在于，所述的转轮(12)为麦克纳姆轮。
9.根据权利要求8所述的一种图书管理机器人，其特征在于，所述的转轮(12)上设有驱动电机和转向器，所述的驱动电机用于驱动转轮(12)转动，所述的转向器用于驱动转轮(12)换向。
10.根据权利要求9所述的一种图书管理机器人，其特征在于，所述的图书管理机器人还包括处理器(4)，所述的处理器(4)为ARM处理器，所述控制器(4)与RFID扫描模块、超声波测距模块、激光测距模块、红外补光摄像头、双进步电机(22)、夹板组件(23)、扩板组件(24)、驱动电机和转向器电连接。
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