CN110103239A - 一种图书馆存取书机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种图书馆存取书机器人，其能解决现有的图书馆存取书机器人效率低下、成本高昂的技术问题。一种图书馆存取书机器人，包括书架机构、夹手机构和行走机构，其特征在于：书架机构包括骨架、书架单体、底盘驱动单元和书夹，书架单体包括均为环状结构并设有缺口的底盘、上轨道和下轨道，缺口与环状结构的中心开孔连通并能够供夹手机构通过，底盘下安装有上轨道，上轨道与下轨道导向配合，底盘通过底盘驱动单元驱动；夹手机构包括的7字形的拨杆、拨杆上端驱动单元和拨杆下端驱动单元，拨杆置于一对夹臂之间，通过拨杆上端驱动单元和拨杆下端驱动单元不同步驱动拨杆转动，实现拨书操作。

Description

一种图书馆存取书机器人

技术领域

本发明涉及图书存取装置技术领域，具体涉及一种图书馆存取书机器人。

背景技术

随着科学技术的发展，传统图书馆的图书管理方式已经越来越不能适应现代人们的阅读需求，图书馆存取书机器人应运而生。图书馆存取书机器人能够在图书馆运营等多个方面起到积极作用，但现有的图书馆存取书机器人存在效率低下、成本高昂的问题，限制了其推广使用。

发明内容

本发明提供了一种图书馆存取书机器人，其能解决现有的图书馆存取书机器人效率低下、成本高昂的技术问题。

其技术方案是这样的，一种图书馆存取书机器人，包括书架机构、夹手机构和行走机构，其特征在于：

所述书架机构包括骨架和书架单体，所述骨架通过沿竖向分布的横支撑分隔为两个以上的小室，各小室均设置有书架单体，所述书架单体包括均为环状结构并设有缺口的底盘、上轨道和下轨道，所述缺口与所述环状结构的中心开孔连通并能够供夹手机构通过，所述底盘下安装有所述上轨道，所述底盘的缺口和所述上轨道的缺口正对设置，所述上轨道与所述下轨道导向配合，所述下轨道安装于所述横支撑上；所述书架单体还包括底盘驱动单元和书夹，所述底盘驱动单元置于所述底盘外侧并驱动所述底盘转动，所述底盘上设有沿环状分布的书夹，所述书夹能够存放图书并开口朝外设置；

所述夹手机构包括壳体、夹臂、夹臂收紧驱动单元、 7字形的拨杆、拨杆上端驱动单元和拨杆下端驱动单元，所述夹臂设有一对，所述夹臂的前端为夹持部、后端安装于所述夹臂收紧驱动单元的输出端，所述夹臂收紧驱动单元安装于所述壳体，所述拨杆置于一对所述夹臂之间，所述拨杆的横向部位向所述夹臂的前端延伸设置，所述拨杆的竖向部位的上端设有沿竖向延伸的腰形孔、下端设有圆孔，所述拨杆上端驱动单元和所述拨杆下端驱动单元均能沿所述夹臂的前后方向驱动所述拨杆的竖向部位，所述拨杆上端驱动单元的输出端转动连接有第一销轴，所述第一销轴安装于所述腰形孔内并能沿腰形孔长轴方向滑动，所述拨杆下端驱动单元的输出端转动连接有第二销轴，所述第二销轴安装于所述圆孔内；

所述行走机构包括小车，所述小车安装于所述骨架的底部，所述小车的滚轮由滚轮驱动单元驱动。

进一步的，所述骨架包括4根竖立状设置并呈矩形分布的竖支撑杆，所述横支撑包括3根水平设置并呈匚形分布的横支撑杆，所述横支撑杆的首尾两端分别与所述竖支撑杆固定连接。

进一步的，所述书架包括一对夹板和一个限位板，一对所述夹板间隔设置并竖立的固定于所述底盘上，所述限位板置于一对夹板之间并靠近所述环状结构的中心开孔一侧，所述限位板与一对所述夹板插接配合。

进一步的，所述上轨道开设有沿环形方向延伸并且开口朝下的上凹槽，所述下轨道开设有沿环形方向延伸并且开口朝上的下凹槽，所述下凹槽内设有沿环形方向分布并转动设置的滚子，所述上轨道通过所述上凹槽扣合于所述下轨道上并且所述上凹槽的顶面与所述滚子滚动配合。

进一步的，当所述拨杆的竖向部位呈竖立状设置时，所述第一销轴位于所述腰形孔的下部。

进一步的，所述夹臂收紧驱动单元包括与所述夹臂一一配合的夹臂驱动电机，所述夹臂驱动电机内置于所述壳体。

进一步的，所述夹手机构包括夹臂平移驱动单元和夹臂升降驱动单元，所述拨杆上端驱动单元、所述夹臂平移驱动单元、所述拨杆下驱动单元自上而下并且固定为一整体，所述夹臂升降驱动单元包括同步带、上同步带轮、下同步带轮、立柱和步进电机，所述上同步带轮安装于立柱上端，所述下同步带轮安装于所述步进电机的输出端，所述同步带张紧套装于所述上同步带轮和所述下同步带轮，所述整体通过夹板固定于所述同步带上，所述立柱上设有沿竖向延伸的滑槽，所述同步带背离所述夹板的一侧安装有滑块，所述滑块与所述滑槽滑动配合。

进一步的，所述拨杆上端驱动单元、所述夹臂平移驱动单元、所述拨杆下驱动单元均为贯通式丝杆步进电机，所述壳体置于所述拨杆和所述电机安装板之间，所述拨杆上端驱动单元、所述拨杆下驱动单元的丝杆均贯穿所述壳体，所述第一销轴和所述第二销轴转动连接于对应丝杆的端部。

进一步的，所述夹臂的前端形成向下的弯折部，所述夹持部位于弯折部的下端。

进一步的，所述夹持部的内侧设有夹持板，所述夹持板的内侧设有防滑棱，所述防滑棱自前而后排布。

进一步的，所述图书馆存取书机器人还包括信息采集机构和控制器，

所述信息采集机构包括图像处理摄像头和超声波传感器，所述图像处理摄像图安装于所述拨杆的竖向部位的前侧，所述超声波传感器设有4个，其中两个超声波传感器安装于骨架的前侧并用于测量骨架与前侧障碍的距离，剩余两个超声波传感器安装于骨架的左右两侧并用于测量骨架与左、右两侧障碍的距离；

所述控制器与所述底盘驱动单元、所述夹臂收紧驱动单元、所述拨杆上端驱动单元、所述拨杆下端驱动单元、所述滚轮驱动单元、所述夹臂平移驱动单元、所述夹臂升降驱动单元、所述图像处理摄像头和所述超声波传感器电控连接。

本发明的有益效果如下：

（1）书架机构的环状结构并设有缺口的底盘、上轨道和下轨道的设置，使得夹手机构能够设置于书夹机构的竖向空间内，通过底盘的缺口、环形中心于各小室之间上下移动，在夹手机构移动的时候，书架单体的底盘驱动电机驱动底盘转动，使得待取放的图书或者空位书夹移动至夹手机构的正下方，进而实现图书的快速存取，提高效率；

（2）夹手机构通过拨杆上端驱动单元和拨杆下端驱动单元不同步驱动拨杆，使得拨杆绕第二销轴向夹臂前端转动，拨杆的横向部位的前端将向外拨动待取图书的外侧上部的一角，该过程中，待取图书绕外侧下部的一角向外旋转，而待取图书的外侧上部的一角外露后由一对夹臂夹持，即夹臂无需直接插入待取图书两侧，能够避免图书位置采集单元、夹臂转向单元的设置，即避免夹臂针对不同倾斜角度的图书进行角度调节的操作，进一步提高效率；

（3）夹手机构的具体结构改良能够避免图书位置采集单元、夹臂转向单元的设置，进而降低机器人整体成本。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的书架机构和行走机构的结构示意图。

图3为本发明的书架机构的骨架和行走机构的结构示意图。

图4为本发明的书架机构的书架单体的结构示意图。

图5为本发明的书架机构的上轨道和下轨道配合的剖面结构示意图。

图6为本发明的书架机构的底盘的结构示意图。

图7为本发明的书架机构的上轨道的结构示意图。

图8为本发明的夹手机构和行走机构的的结构示意图。

图9为本发明的夹手机构的第一视角的结构示意图，其中，下同步带轮和步进电机未示出。

图10为本发明的夹手机构的拨杆的安装结构示意图。

图11为本发明的夹手机构的第二视角的结构示意图，其中，下同步带轮、步进电机和夹臂未示出。

具体实施方式

如图1~图11所示，一种图书馆存取书机器人，包括书架机构、夹手机构和行走机构；

书架机构包括骨架和书架单体，骨架通过沿竖向分布的横支撑分隔为两个以上的小室，各小室均设置有书架单体，书架单体包括均为环状结构并设有缺口的底盘121、上轨道122和下轨道123，缺口与环状结构的中心开孔连通并能够供夹手机构通过，图5中，1212为底盘的中心开孔，1213为底盘的缺口，图6中，1222为上轨道的中心开孔、1223为上轨道的缺口，底盘121下安装有上轨道122，底盘的缺口1213和上轨道的缺口1223正对设置，上轨道122与下轨道123导向配合，下轨道123安装于横支撑上；书架单体还包括底盘驱动单元和书夹，底盘驱动单元置于底盘121外侧并驱动底盘转动，具体的，底盘驱动单元包括底盘驱动电机1261，底盘驱动电机1261固定于骨架侧部、其输出端安装有齿轮1262，齿轮1262与底盘121外圈分布的齿1211啮传动，底盘121上设有沿环状分布的书夹，书夹能够存放图书并开口朝外设置；

夹手机构包括壳体212、夹臂211、夹臂收紧驱动单元、7字形的拨杆221、拨杆上端驱动单元222和拨杆下端驱动单元223，夹臂211设有一对，夹臂的前端为夹持部、后端安装于夹臂收紧驱动单元的输出端，夹臂收紧驱动单元安装于壳体212，拨杆221置于一对夹臂211之间，拨杆的横向部位2211向夹臂的前端延伸设置，拨杆的竖向部位2212的上端设有沿竖向延伸的腰形孔2213、下端设有圆孔，拨杆上端驱动单元222和拨杆下端驱动单元223均能沿夹臂的前后方向驱动拨杆的竖向部位2212，拨杆上端驱动单元222的输出端转动连接有第一销轴224，第一销轴224安装于腰形孔2213内并能沿腰形孔2213长轴方向滑动，拨杆下端驱动单元223的输出端转动连接有第二销轴225，第二销轴225安装于圆孔内，当拨杆的竖向部位2212呈竖立状设置时，第一销轴224位于腰形孔2213的下部，腰形孔2213、圆孔的侧部分别设有连通的开口以供拨杆上/下端驱动单元与销轴的连接部位穿过并且能够适应拨杆转动过程；

行走机构包括小车，小车安装于骨架的底部，小车包括座体31，座体31的四角分别安装有滚轮32，滚轮由滚轮驱动单元驱动。

骨架包括4根竖立状设置并呈矩形分布的竖支撑杆111，该实施例中，竖支撑杆111由竖支撑杆单体构成，横支撑包括3根水平设置并呈匚形分布的横支撑杆112，横支撑杆112的首尾两端分别与竖支撑杆111固定连接，即骨架整体为匚形结构，方便夹手机构、图书从匚形结构的开口处移进移出，并配合设有缺口的底盘、上轨道和下轨道，能够减小各小室的高度，提高空间利用率。

书架包括一对夹板124和一个限位板125，一对夹板124间隔设置并竖立的固定于底盘121上，限位板125置于一对夹板124之间并靠近环状结构的中心开孔一侧，限位板125两侧通过上夹板插槽与两侧的夹板124插接配合，限位板能够对插入的图书进行限位，底盘121上设有下夹板插槽，夹板124的底部插装于下夹板插槽内并通过胶封固定；夹板124的上部内侧开设有第一缺口1241，在确保夹板足够高度、实现对图书的有效支撑的基础上，使得图书上部部分外露，方便夹手机构夹持，夹板124的外侧的中间部位开设有第二缺口，方便人为取书。

上轨道122开设有沿环形方向延伸并且开口朝下的上凹槽1221，下轨道123开设有沿环形方向延伸并且开口朝上的下凹槽1231，下凹槽1231内设有沿环形方向分布并转动设置的滚子1232，上轨道122通过上凹槽1221扣合于下轨道123上并且上凹槽1221的顶面与滚子1232滚动配合，滚子的设置能够减小摩擦、降低阻力。

夹手机构包括夹臂平移驱动单元和夹臂升降驱动单元，拨杆上端驱动单元222、夹臂平移驱动单元、拨杆下驱动单元自上而下设置并且通过电机安装板226固定为一整体，夹臂升降驱动单元包括同步带243、上同步带轮242、下同步带轮、立柱241和步进电机246，上同步带轮242安装于立柱241上端，下同步带轮安装于步进电机246的输出端，同步带243张紧套装于上同步带轮242和下同步带轮，整体通过夹板244固定于同步带上，立柱241上设有沿竖向延伸的滑槽（未示出，位于立柱与同步带相对的一侧端面上），同步带背离夹板244的一侧安装有滑块245，滑块245与滑槽滑动配合。

夹臂平移驱动单元包括第一夹臂平移驱动单元、第二夹臂平移驱动单元，拨杆上端驱动单元、第一夹臂平移驱动单元、拨杆下驱动单元均为贯通式丝杆步进电机，壳体置于拨杆和电机安装板之间，拨杆上端驱动单元、拨杆下驱动单元的丝杆均贯穿壳体，第一销轴、第二销轴转动连接与相应丝杆的端部；第二夹臂平移驱动单元包括伺服电机232、平移丝杆233和内置丝杆螺母的支架234，小车的座体31两侧分别通过一对间隔设置的支撑梁形成有与支架234两端滑动部导向配合的滑轨311，滑动部的两侧还安装有的平衡块235，平衡块235与支撑梁贴合，立柱241固定于支架234上，第二夹臂平移驱动单元作为第一夹臂平移驱动单元的补充，支架、平衡块的设置能够有效提高立柱的稳定性。

夹臂的前端形成向下的弯折部2111，夹持部位于弯折部2111的下端，由于待取图书的外侧上部的一角由拨杆拨动、外露后，其高度是相对降低的，通过向下的弯折部的设置，进而避免夹臂升降驱动单元再次启动，以提高效率取书效率；夹持部的内侧设有夹持板213，夹持板213的内侧设有防滑棱2131，防滑棱2131自前而后排布，能够防止待取图书滑脱。

图书馆存取书机器人还包括信息采集机构和控制器；信息采集机构包括图像处理摄像头411和超声波传感器，图像处理摄像头311安装于拨杆的竖向部位的前侧，超声波传感器设有4个，其中两个超声波传感器安装于骨架的前侧并用于测量骨架与前侧障碍的距离，剩余两个超声波传感器安装于骨架的左右两侧并用于测量骨架与左、右两侧障碍的距离；控制器与底盘驱动单元、夹臂收紧驱动单元、拨杆上端驱动单元、拨杆下端驱动单元、滚轮驱动单元、夹臂平移驱动单元、夹臂升降驱动单元、图像处理摄像头和超声波传感器电控连接。通过图像处理摄像头对待取图书的条形码进行确认，声波传感器对于机器人的前后左右位置进行测定，拨杆上端驱动单元22和拨杆下端驱动单元23将电机旋转的圈数反馈给控制器，进而判断拨杆前端是否接触待取图书的外侧上部的一角。

本发明的机器人配合借阅图书时：

首先，机器人通过行走机构的小车移动至相应书柜前，并由图像处理摄像头拍摄图书侧部条形码，由控制器判断是否为待取图书；

其次，夹手机构的拨杆上端驱动单元和拨杆下端驱动单元不同步驱动拨杆，使得拨杆绕第二销轴向夹臂前端转动，拨杆的横向部位的前端将向外拨动待取图书的外侧上部的一角，该过程中，待取图书绕外侧下部的一角向外旋转，而待取图书的外侧上部的一角外露后由一对夹臂夹持；

再次，夹手机构的夹臂平移驱动单元带动图书回退至书夹机构内，并由控制器控制将书架单体的空位书夹转动至缺口下方，夹臂升降驱动单元带动待取图书下降至空位书夹，夹臂收紧机构松开夹臂；

最后，机器人通过行走机构的小车移动至图书管理员处，由图书管理员将图书取出移交给借阅者。

本发明的机器人配合归还图书时：

首先，图书管理员将归还的图书插入至空位书夹，摄像头拍摄图书侧部条形码，由控制器记录该书夹并判断相应书柜位置；

其次，机器人通过行走机构的小车移动至相应书柜前，并移动至书柜隔层的空位处；

再次，控制器控制将归还图书所对应的书夹转动至缺口下方，夹臂升降驱动单元带动夹臂下降，夹臂收紧驱动单元收紧夹臂以夹持图书，夹臂升降驱动单元将图书调整至空位处；

最后，夹臂平移驱动单元驱动夹臂、图书同步平移，当图书与书柜的隔板接触后，夹臂松开，拨杆上端驱动单元和拨杆下端驱动单元同步驱动拨杆，推动图书平移进入书柜。若是使用夹臂夹持直接推入图书，书柜上与图书对应的容置空间需要将一对夹臂的厚度考虑进去，否则夹臂在推入时会对其它图书造成损坏，而本发明的拨杆能够减小图书容置空间的需求，并且避免其它图书损坏。

Claims (10)

1.一种图书馆存取书机器人，包括书架机构、夹手机构和行走机构，其特征在于：

所述书架机构包括骨架和书架单体，所述骨架通过沿竖向分布的横支撑分隔为两个以上的小室，各小室均设置有书架单体，所述书架单体包括均为环状结构并设有缺口的底盘、上轨道和下轨道，所述缺口与所述环状结构的中心开孔连通并能够供夹手机构通过，所述底盘下安装有所述上轨道，所述底盘的缺口和所述上轨道的缺口正对设置，所述上轨道与所述下轨道导向配合，所述下轨道安装于所述横支撑上；所述书架单体还包括底盘驱动单元和书夹，所述底盘驱动单元置于所述底盘外侧并驱动所述底盘转动，所述底盘上设有沿环状分布的书夹，所述书夹能够存放图书并开口朝外设置；

所述夹手机构包括壳体、夹臂、夹臂收紧驱动单元、 7字形的拨杆、拨杆上端驱动单元和拨杆下端驱动单元，所述夹臂设有一对，所述夹臂的前端为夹持部、后端安装于所述夹臂收紧驱动单元的输出端，所述夹臂收紧驱动单元安装于所述壳体，所述拨杆置于一对所述夹臂之间，所述拨杆的横向部位向所述夹臂的前端延伸设置，所述拨杆的竖向部位的上端设有沿竖向延伸的腰形孔、下端设有圆孔，所述拨杆上端驱动单元和所述拨杆下端驱动单元均能沿所述夹臂的前后方向驱动所述拨杆的竖向部位，所述拨杆上端驱动单元的输出端转动连接有第一销轴，所述第一销轴安装于所述腰形孔内并能沿腰形孔长轴方向滑动，所述拨杆下端驱动单元的输出端转动连接有第二销轴，所述第二销轴安装于所述圆孔内，当所述拨杆的竖向部位呈竖立状设置时，所述第一销轴位于所述腰形孔的下部；

所述行走机构包括小车，所述小车安装于所述骨架的底部，所述小车的滚轮由滚轮驱动单元驱动。

2.根据权利要求1所述的一种图书馆存取书机器人，其特征在于：所述骨架包括4根竖立状设置并呈矩形分布的竖支撑杆，所述横支撑包括3根水平设置并呈匚形分布的横支撑杆，所述横支撑杆的首尾两端分别与所述竖支撑杆固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种图书馆存取书机器人，其特征在于：所述书架包括一对夹板和一个限位板，一对所述夹板间隔设置并竖立的固定于所述底盘上，所述限位板置于一对夹板之间并靠近所述环状结构的中心开孔一侧，所述限位板与一对所述夹板插接配合。

4.根据权利要求3所述的一种图书馆存取书机器人，其特征在于：所述上轨道开设有沿环形方向延伸并且开口朝下的上凹槽，所述下轨道开设有沿环形方向延伸并且开口朝上的下凹槽，所述下凹槽内设有沿环形方向分布并转动设置的滚子，所述上轨道通过所述上凹槽扣合于所述下轨道上并且所述上凹槽的顶面与所述滚子滚动配合。

5.根据权利要求4所述的一种图书馆存取书机器人，其特征在于：所述夹臂收紧驱动单元包括与所述夹臂一一配合的夹臂驱动电机，所述夹臂驱动电机内置于所述壳体。

6.根据权利要求5所述的一种图书馆存取书机器人，其特征在于：所述夹手机构包括夹臂平移驱动单元和夹臂升降驱动单元，所述拨杆上端驱动单元、所述夹臂平移驱动单元、所述拨杆下驱动单元自上而下并且固定为一整体，所述夹臂升降驱动单元包括同步带、上同步带轮、下同步带轮、立柱和步进电机，所述上同步带轮安装于立柱上端，所述下同步带轮安装于所述步进电机的输出端，所述同步带张紧套装于所述上同步带轮和所述下同步带轮，所述整体通过夹板固定于所述同步带上，所述立柱上设有沿竖向延伸的滑槽，所述同步带背离所述夹板的一侧安装有滑块，所述滑块与所述滑槽滑动配合。

7.根据权利要求6所述的一种图书馆存取书机器人，其特征在于：所述拨杆上端驱动单元、所述夹臂平移驱动单元、所述拨杆下驱动单元均为贯通式丝杆步进电机，所述壳体置于所述拨杆和所述电机安装板之间，所述拨杆上端驱动单元、所述拨杆下驱动单元的丝杆均贯穿所述壳体，所述第一销轴和所述第二销轴转动连接于对应丝杆的端部。

8.根据权利要求7所述的一种图书馆存取书机器人，其特征在于：所述夹臂的前端形成向下的弯折部，所述夹持部位于弯折部的下端。

9.根据权利要求8所述的一种图书馆存取书机器人，其特征在于：所述夹持部的内侧设有夹持板，所述夹持板的内侧设有防滑棱，所述防滑棱自前而后排布。

10.根据权利要求9所述的一种图书馆存取书机器人，其特征在于：所述图书馆存取书机器人还包括信息采集机构和控制器，

所述信息采集机构包括图像处理摄像头和超声波传感器，所述图像处理摄像图安装于所述拨杆的竖向部位的前侧，所述超声波传感器设有4个，其中两个超声波传感器安装于骨架的前侧并用于测量骨架与前侧障碍的距离，剩余两个超声波传感器安装于骨架的左右两侧并用于测量骨架与左、右两侧障碍的距离；

所述控制器与所述底盘驱动单元、所述夹臂收紧驱动单元、所述拨杆上端驱动单元、所述拨杆下端驱动单元、所述滚轮驱动单元、所述夹臂平移驱动单元、所述夹臂升降驱动单元、所述图像处理摄像头和所述超声波传感器电控连接。