CN110745535A - 一种双机械手图书馆管理图书智能上架机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双机械手图书馆管理图书智能上架机器人，包括第一滑动装置、第二滑动装置、分书装置、夹书装置、移动本体驱动装置和储书柜。本发明中的由机械手构成的分书装置，当图书之间紧密排列空间较小时，该分书装置可插入缝隙，使得书与书之间产生一定的空间，协同另一只机械手构成的夹书装置将所要上架的图书归还到书架目标位置，形成了双机械手图书馆管理图书智能上架机器人系统系统，根据图书架放置图书方式，该系统普遍适用于国内的各高校图书馆。

Description

一种双机械手图书馆管理图书智能上架机器人系统

技术领域

本发明属于新型的图书馆服务型机器人，具体涉及一种双机械手图书馆管理图书智能上架机器人系统。

背景技术

随着社会的迅速发展和人们对美好生活的需要，图书馆成为人们弥补自身不足和获取各方面知识的重要场所。虽然国内应用于各个领域的服务机器人日渐成熟，但针对图书的错放、上下架、搬运、分类和查重等工作的服务机器人由于结构设计复杂，自主上架困难还并未在市场上出现。

为避免图书滞留，影响读者的借阅，因此我们设计双机械手图书馆管理图书智能上架机器人系统实现读者对借还的图书进行一个自主上架工作，及时将图书归还至其所在目标书架。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种双机械手图书馆管理图书智能上架机器人系统，该双机械手图书馆管理图书智能上架机器人系统主要对图书馆归还的图书进行一个自主上架工作。

技术方案：一种双机械手图书馆管理图书智能上架机器人系统，包括第一滑动装置、第二滑动装置、分书装置、夹书装置、移动本体驱动装置和储书柜；

所述的第一滑动装置和第二滑动装置安装在储书柜两侧，每个滑动装置都是由一组步进电机、弹性联轴器、轴承、滚珠丝杆、滑块和导轨组成，通过步进电机的正反转控制滑块的上下移动；

所述的分书装置和夹书装置分别安装在滑块和滑块上，包括机械臂、机械爪和深度摄像头各一个；所述的机械臂各关节之间各有两个伺服电机控制机械臂与机械臂之间转动，每个机械臂都有六个伺服电机，所述的机械爪安装在三关节机械臂前端，主要用于取书、夹书工作，并将图书放置到由机械爪打开的空间内；所述的深度摄像头能够对书架上的图书进行3D建模来获取图书的三维信息；

所述的移动本体驱动装置由超声波避障模块、两个驱动轮和两个万向轮组成；所述的两个驱动轮和两个万向轮分别控制整个机器人在图书馆中保持直线和转向运动；所述的超声波避障模块和安装在移动本体驱动装置底部的二维码识别模块用于机器人自主避障和读取地面二维码的信息，确定机器人实时位置，实现自主导航。

作为优化：所述的机械爪呈勾状，闭合时有25°尖角，便于插入图书之间的缝隙，可插入的缝隙≥0.8mm。

作为优化：所述的机械爪由两片钢片组成，钢片材料为热处理的45#钢。

作为优化：所述的储书柜分为四层,其中，第一层备用，后面三层用于放置归还的图书。对机器人自身储书柜结构进行改进，每一层都设置足够的空间去放置每一本书，图书与图书之间有足够的空间让机械爪在获取上架图书的信息后，能够直接对图书进行抓取，避免机械爪再去分书这一步骤。

一种根据所述的双机械手图书馆管理图书智能上架机器人系统的工作方法，读者通过借还系统将图书归还到储书柜后，当所还书籍达到一定的数量后，图书上架机器人开启动自主上架工作；具体流程如下：

(3)首先夹书装置被启动，滑块带动机械臂在导轨上下移动确定上架图书所在储书柜的层数，机械臂带动各关节运动，通过安装在机械臂前端的深度摄像头左右转动获取图书信息后，机械爪动作夹紧所要上架图书；

(4)接着移动本体驱动装置驱动两个驱动轮和两个万向轮运动到达书架位置，分书装置被启动，滑块带动机械臂在导轨上下移动确定上架图书在书架上的位置，机械臂带动各关节运动指向目标书架，通过安装在机械臂前端的深度摄像头左右转动获取图书信息；

(5)待确定所还书籍位置后，机械爪插入缝隙并打开得到足够空间，机械爪将所夹紧的图书放入到空间内，机械臂收回；

重复以上步骤，进行下一本书籍的上架工作，直到储书柜里所有的图书上架结束，移动本体驱动装置驱动两个驱动轮和两个万向轮回到初始点。

有益效果：本发明中的由机械手构成的分书装置，当图书之间紧密排列空间较小时，该分书装置可插入缝隙，使得书与书之间产生一定的空间，协同另一只机械手构成的夹书装置将所要上架的图书归还到目标位置，形成了双机械手图书馆管理图书智能上架机器人系统系统，根据图书架放置图书方式，该系统普遍适用于国内的各高校图书馆。

附图说明

图1是本发明的机器人控制器电路结构框图；

图2是本发明的图书馆部分平面示意图；

图3是本发明的双机械手图书馆管理图书智能上架机器人系统系统的结构图1；

图4是本发明的双机械手图书馆管理图书智能上架机器人系统系统的结构图2；

图5是本发明的机械臂局部放大图；

图6是本发明的双机械手图书馆管理图书智能上架机器人系统结构仰视图；

图7是本发明的双机械手图书馆管理图书智能上架机器人系统还书上架具体控制流程图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够更好的理解本发明的优点和特征，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本发明是针对原有的单机械手图书上架机器人的机械结构及硬件上的不足做的重大改进。由于原有的单机械手图书上架机器人要求每本图书放置的区域要拥有足够大空间，对图书架的要求较高，导致应用场所具有很大局限。

本发明是一种在书架上图书间无空间情况下将上架图书放置正确位置的方法，该图书上架机器人控制器电路结构主要由控制器模块、摄像头采集模块、运动控制模块、无线通信等模块组成。

MCU1为运动处理器，MCU2为借还系统处理器，CPU控制各模块的数据传输和处理，摄像头01和摄像头02分别为分书装置和夹书装置采集图书信息来确定上书位置，摄像头03识别地面的二维码信息，实现自主定位，RFID技术用于扫描图书上的条形码进行还书。

在图书上架系统中，机器人书柜里的书达到一定数量时，开始启动还书上架工作，摄像头02通过自身书柜里扫描图书索书号获得数据传递给CPU进行处理，与图书馆数据库进行匹配获得该图书所在的具体位置，然后CPU通过WIFI模块和上位机通讯将位置信息传递给机器人本体的运动控制模块通过主控器控制直流减速电机向目标移动；在移动过程中根据自主导航算法规划最优的路径，通过超声波测距模块实现机器人的自动避障。到达指定位置后，分书装置通过摄像头01确定所要插入的空隙获得所要上架图书的空间后，夹书装置通过导轨上下移动将所要上架的图书放到还书籍的目标位置，结束之后，继续进行下一本书的上架工作，直到所有图书上架完成，自主回到初始位置，等待下一轮图书上架工作。

本发明在双机械手图书馆管理图书智能上架机器人系统的整体机械结构设计中，主要分为第一滑动装置1，第二滑动装置2，分书装置3，夹书装置4、移动本体驱动装置5和储书柜6六大部分。第一滑动装置1和第二滑动装置2安装在储书柜6两侧，每个滑动装置都是由一组85H2P11860A4步进电机7和步进电机8、两个弹性联轴器、轴承10和轴承11、滚珠丝杆12和滚珠丝杆13、滑块14和滑块15、导轨26和导轨27分别组成，通过步进电机的正反转控制滑块14和滑块15的上下移动。分书装置3和夹书装置4分别安装在滑块14和15上，包括机械臂16和机械臂17、机械爪18和机械爪19、深度摄像头20和深度摄像头21。机械臂16和机械臂17各关节之间各有两个伺服电机控制机械臂与机械臂之间转动，每个机械臂都有六个伺服电机。由两片钢片组成机械爪17安装在三关节机械臂16前端，呈勾状(如图5)，闭合时有25°尖角(如图6)便于插入图书之间的缝隙(可插入缝隙大于等于0.8mm)，钢片材料为热处理的45#钢，硬度大足以支撑分书过程中所承受的压力。机械爪19与机械爪18结构不同，直接由两片钢板组成，主要用于取书、夹书工作，并将图书放置到由机械爪18打开的空间内。深度摄像头20和深度摄像头21能够对书架上的图书进行3D建模来获取图书的三维信息，提高对索书号识别速度和精度，使图书上架更加准确。移动本体驱动装置5由超声波避障模块22、两个驱动轮23，两个万向轮24组成。两个驱动轮23和两个万向轮24分别控制整个机器人在图书馆中保持直线和转向运动。超声波避障模块22和安装在移动本体驱动装置5底部的二维码识别模块9读取地面二维码的信息，确定机器人实时位置，实现自主导航。储书柜6分为四层(第一层备用，后三层放置归还的图书)，由于不能对图书馆书架放置的图书方式进行大规模改变，本研究团队对机器人储书柜做了进一步改进，每一层我们都设置足够的空间去放置每一本书，图书与图书之间有足够的空间让机械爪19在获取上架图书的信息后，能够直接对图书进行抓取，避免机械爪18再去分书这一步骤，节约大量时间，提高机器人的工作效率。

还书上架具体控制过程：图2为双机械手图书馆管理图书智能上架机器人系统使用的场所。读者将通过借还系统将图书归还到储书柜6后，当所还书籍达到一定的数量后，图书上架机器人开启动自主上架工作。首先夹书装置4被启动，滑块15带动机械臂17在导轨27上下移动确定上架图书所在储书柜6的层数，机械臂17带动各关节运动，通过安装在机械臂17前端的深度摄像头21左右转动获取图书信息后，机械爪19动作夹紧所要上架图书。接着移动本体驱动装置5驱动两个驱动轮23和两个万向轮24运动到达书架位置，分书装置3被启动，滑块14带动机械臂16在导轨26上下移动确定上架图书在书架上的位置，机械臂16带动各关节运动指向目标书架，通过安装在机械臂16前端的深度摄像头20左右转动获取图书信息。待确定所还书籍位置后，机械爪18插入缝隙并打开得到足够空间，机械爪19将所夹紧的图书放入到空间内，机械臂收回。重复以上步骤，进行下一本书籍的上架工作，直到储书柜里所有的图书上架结束，移动本体驱动装置5驱动两个驱动轮23和两个万向轮24回到初始点。

Claims (5)

1.一种双机械手图书馆管理图书智能上架机器人系统，其特征在于：包括第一滑动装置(1)、第二滑动装置(2)、分书装置(3)、夹书装置(4)、移动本体驱动装置(5)和储书柜(6)；

所述的第一滑动装置(1)和第二滑动装置(2)安装在储书柜(6)两侧，每个滑动装置都是由一组步进电机(7、8)、弹性联轴器、轴承(10、11)、滚珠丝杆(12、13)、滑块(14、15)和导轨(26、27)组成，通过步进电机(7、8)的正反转控制滑块(14、15)的上下移动；

所述的分书装置(3)和夹书装置(4)分别安装在滑块(14)和滑块(15)上，包括机械臂(16、17)、机械爪(18、19)和深度摄像头(20、21)各一个；所述的机械臂(16、17)各关节之间各有两个伺服电机控制机械臂与机械臂之间转动，每个机械臂都有六个伺服电机，所述的机械爪(18、19)安装在三关节机械臂(16、17)前端，主要用于取书、夹书工作，并将图书放置到由机械爪(18)打开的空间内；所述的深度摄像头(20、21)能够对书架上的图书进行3D建模来获取图书的三维信息；

所述的移动本体驱动装置(5)由超声波避障模块(22)、两个驱动轮(23)和两个万向轮(24)组成；所述的两个驱动轮(23)和两个万向轮(24)分别控制整个机器人在图书馆中保持直线和转向运动；所述的超声波避障模块(22)和安装在移动本体驱动装置(5)底部的二维码识别模块(9)用于自主避障和读取地面二维码的信息，确定机器人实时位置，实现自主导航。

2.根据权利要求1所述的双机械手图书馆管理图书智能上架机器人系统，其特征在于：所述的机械爪(18、19)呈勾状，闭合时有25°尖角，便于插入图书之间的缝隙，可插入的缝隙≥0.8mm。

3.根据权利要求1所述的双机械手图书馆管理图书智能上架机器人系统，其特征在于：所述的机械爪(18、19)由两片钢片组成，钢片材料为热处理的45#钢。

4.根据权利要求1所述的双机械手图书馆管理图书智能上架机器人系统，其特征在于：所述的储书柜(6)分为四层,其中，第一层备用，后面三层用于放置归还的图书,对机器人自身储书柜(6)结构进行改进，每一层都设置足够的空间去放置每一本书，图书与图书之间有足够的空间让机械爪(19)在获取上架图书的信息后，能够直接对图书进行抓取，避免机械爪(18)对自身储存的图书再去分书这一步骤。

5.一种根据权利要求1所述的双机械手图书馆管理图书智能上架机器人系统的工作方法，其特征在于：读者通过借还系统将图书归还到储书柜(6)后，当所还书籍达到一定的数量后，图书上架机器人开启动自主上架工作；具体流程如下：

(1)首先夹书装置(4)被启动，滑块(15)带动机械臂(17)在导轨(27)上下移动确定上架图书所在储书柜(6)的层数，机械臂(17)带动各关节运动，通过安装在机械臂(17)前端的深度摄像头(21)左右转动获取图书信息后，机械爪(19)动作夹紧所要上架图书；

(2)接着移动本体驱动装置(5)驱动两个驱动轮(23)和两个万向轮(24)运动到达书架位置，分书装置(3)被启动，滑块(14)带动机械臂(16)在导轨(26)上下移动确定上架图书在书架上的位置，机械臂(16)带动各关节运动指向目标书架，通过安装在机械臂(16)前端的深度摄像头(20)左右转动获取图书信息；

(3)待确定所还书籍位置后，机械爪(18)插入缝隙并打开得到足够空间，机械爪(19)将所夹紧的图书放入到空间内，机械臂收回；

(4)重复以上步骤，进行下一本书籍的上架工作，直到储书柜里所有的图书上架结束，移动本体驱动装置(5)驱动两个驱动轮(23)和两个万向轮(24)回到初始点。

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