CN111618867A - 一种智能图书管理机器人及其借阅方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能图书管理机器人及其借阅方法，该机器人包括运动底盘、升降机构、伸缩机构、书本夹具、书本暂存架，所述运动底盘内集成有传感系统和控制系统，机器人通过传感模块在规划好的轨迹网内实现自动路径规划、循迹从而实现精确定位；读者可通过用户APP对机器人下达指令，机器人得到指令后与图书馆网络进行信息交互，自主规划路径、到达目标书架、完成取书作并送到窗口。本发明利用机器人进行图书馆管理，方便用户快速查找书籍、远程预约借书，实现了机器人替代人工取书，提升了图书借阅过程的工作效率，改善了图书馆服务效率和信息化水平；机器人运行稳定、灵活，三爪式取书手适应性好，取书成功率和效率较高。

Description

一种智能图书管理机器人及其借阅方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体为一种智能图书管理机器人及其借阅方法。

背景技术

人工管理的图书馆规模大，复杂度高，虽然书籍按类摆放，但由于同类书籍太多，查找起来依然需要花费大量时间；同时在不断借取归还的过程中，不可避免的造成书籍混乱的问题，不便于后续查找。首先，图书馆分区复杂，书籍根据内容有上百种分类，为了分开存放，图书馆划分了很多分区，有些小的分区只有一两个书柜，而且这些分区没有在地图上标出，很难找到，给读者找书带来极大麻烦。其次，书籍查找费时费力，分区复杂，查找起来就很麻烦，找到相应分区后，同类书籍又很多，读者又要花很长时间在几个书柜之间寻找所需要的那本书；还存在读者咨询困难，在一些的图书馆中，工作人员少，查询书籍的方式只有通过图书馆的电脑，而且只能查到一个大概的位置，虽然书籍、书柜都有编号，但是编号过于复杂，普通人难以看懂，且由于长期管理欠缺，书籍编号与摆放比较混乱，也给查找带来不便。

自动化图书馆管理设备方面，国内外还没有成熟的产品投入市场，一些高校图书馆中投入了部分管理机器人进行实验，但这些机器人的大多只有引导读者的作用，而且价格高昂，而且无法自主的对图书馆进行管理；从图书馆实际需求出发，需要研究专门用于图书馆、服务于读者的智能图书管理机器人。目前，利用机器人管理的方式在不断发展完善，它的便利性是人工管理所无法比拟的，用户可以通过屏幕，远程使用数字化运行的图书馆，同时可以进一步减小图书存放空间，留出更多空间给读者自习使用，为读者的读书活动提供更多的便利。

运动底盘是智能图书管理机器人的运行载体，图书馆面积较大，要求运动底盘能够在起点与目的地之间快速移动，为适应较高的书架，机器人主支架需要一定的高度，这就要求运动底盘还要在到达目的地后要能形成稳固的支撑，保证上层机构运行的平稳，不发生倾倒。另外，从目前已公开的专利看，大多直接采用现有AGV小车作为底盘，使用体积大、重量重的底盘，虽然能为上次机构提供稳定支撑，但底盘运动慢，难以在图书馆狭窄范围内行驶，使用体积小、重量轻的底盘，机器人在取高层书本时容易发生倾倒，机器人的高度难以做的很高，对图书管理的范围就很低。

取书手是智能图书管理机器人的执行元件，其性能直接决定了机器人的效率，从目前已公开的专利看，取书手一般都为平行夹取式，取书手从两侧插入书缝，再夹紧将书抽出，此方法需要机器人有较高的精准度，且容易拽出两侧书本，书本也容易滑动，取书效率不高。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提出了一种智能图书管理机器人及其借阅方法，以实现帮助图书馆书籍管理，为读者提供远程查询、预约借书和自动取书功能。

为实现上述效果，本发明采用的技术方案为：提供了一种智能图书管理机器人，包括运动底盘、升降机构、伸缩机构、书本夹具、书本暂存架；

所述升降机构安装于运动底盘的顶部，用于驱动伸缩机构和书本夹具的垂直升降；

所述伸缩机构安装于升降机构的执行端，用于驱动书本夹具的水平纵向伸缩；

所述书本夹具安装于伸缩机构的执行端，包括位置调整机构和安装于位置调整机构执行端的三爪式取书手，位置调整机构用于三爪式取书手的水平横向位置调整，三爪式取书手用于书本的抓取；

所述书本暂存架安装于运动底盘的顶部并位于书本夹具的正下方，用于书本的暂存放置；

所述运动底盘包括具有自主导航功能的车体和多个设置于车体两侧的支撑腿，用于机器人的移动和定位；

所述运动底盘内集成有传感系统和控制系统，所述控制系统用于与图书馆网络、用户APP进行数据传输，并控制各机构动力装置的动作，所述传感系统与控制系统电性连接，用于信息的采集。

进一步的，所述升降机构包括第一伺服电机、支架底板、支架顶板、至少一根第一丝杠和多根第一光轴；

所述第一伺服电机安装于运动底盘内，支架底板固定安装于运动底盘的顶面，第一光轴固定于支架底板上，支架顶板固定于第一光轴的顶端，第一丝杠的一端传动连接于第一伺服电机的输出端、另一端转动连接于支架顶板的底面。

进一步的，所述伸缩机构包括升降平台、多个滑块支座、两个平移丝杠、配重、两个贯通式步进电机；

所述升降平台安装于升降机构的执行端，滑块支座固定连接于升降平台的顶面两侧，贯通式步进电机固定安装于升降平台的顶面，平移丝杠的两端分别与两个滑块支座螺纹连接，且平移丝杠的一端部与配重转动连接、另一端部与书本夹具转动连接。

进一步的，所述位置调整机构包括支撑架板、第二伺服电机、第二丝杠、第二光轴，第二伺服电机安装于支撑架板的侧面，第二丝杠的一端传动连接于第二伺服电机的输出轴端、第二丝杠的另一端转动安装于支撑架板上，第二光轴固定安装于支撑架板内并与第二丝杠平行设置；

所述三爪式取书手包括书叉、摇臂、双轴伺服电机，所述书叉的两侧面各安装有一个双轴伺服电机，每个双轴伺服电机的输出轴端固定连接有一个摇臂。

进一步的，所述书叉为L形，书叉水平部分的末端为锐角楔形状，书叉的竖直部分螺纹连接于第二丝杠上并滑动套接于第二光轴上；

所述摇臂包括上、下两片壁板和固定连接于两片壁板之间的立柱，壁板的端部为半圆形。

进一步的，所述书本暂存架包括推杆电机、定位滑台、放书槽和导轨副，所述推杆电机和导轨副分别固定安装于运动底盘的顶面，所述定位滑台与推杆电机的输出轴端固定连接并滑动连接于导轨副的顶部，所述放书槽固定于定位滑台的顶面。

进一步的，所述支撑腿包括支架、导向滑块、连杆、支撑板、第三伺服电机，所述支架固定于车体的侧面，支架内设有第三丝杠和第三光轴，导向滑块螺纹连接于第三丝杠上并活动套接于第三光轴上，支撑板一端与导向滑块铰接，连杆的一端铰接于支架的底部、另一端铰接于支撑板的中部，所述第三伺服电机安装于支架的底面，第三伺服电机的的输出轴端与第三丝杠的端部传动连接。

进一步的，所述控制系统包括机器人主控制器、Wi-Fi收发模块和对应于各机构动力装置的电机控制器；

所述传感器系统包括对应于各机构动力装置的编码器、嵌于书本夹具上的电阻式薄膜压力传感器、安装于书本夹具上的图像识别摄像头、安装于运动底盘底部的红外循迹传感器和灰度传感器和对应于各机构动力装置的限位开关；

所述机器人主控制器与图书馆网络通过Wi-Fi收发模块双向连接，机器人主控制器分别与每个电机控制器、Wi-Fi收发模块控制连接，每个电机控制器分别与对应机构的动力装置电连接，所述编码器、电阻式薄膜压力传感器、红外循迹传感器、灰度传感器、图像识别摄像头、限位开关分别与机器人主控制器信号传递连接。

还提供了一种基于所述的一种智能图书管理机器人的借阅方法，包括以下步骤：

S10：图书馆引进所述智能图书管理机器人并完成相关适应性调试；

S20：用户在APP中选取需要借阅的图书，预约何时到图书馆取书；

S30：APP将取书信息发出至图书馆网络，在图书馆网络内将信息与图书馆数据库进行匹配，匹配成功后图书馆网络将该书本的预约信息和位置信息发送给管理机器人；

S40：机器人得到取书信息后，开启传感系统与控制系统，从起点出发，通过传感器系统采集地面标记信息，发送给机器人主控制器，由机器人主控制器计算得到获取自身位置坐标，自主规划行进路线并运行至距离目标书本最近的坐标；

S50：机器人主控制器确认到达目的地后，机器人开始进行取书动作，取出过程包括以下步骤：

S501：机器人主控制器控制运动底盘停止，四条支撑腿放下，使运动底盘稳固立于地面，推杆电机将书本暂存架推出至放书位置；

S502：第一伺服电机启动，将升降平台驱动至与目标书本同高位置，图像识别摄像头通过读取书籍脊背上的条形码信息，确认为目标书本；

S503：第二伺服电机启动，驱动书叉水平移动并对准目标书本，两个双轴伺服电机同时启动，使两个摇臂处于打开状态；

S504：两个贯通式步进电机同时启动，驱动书叉靠近目标书本至书叉插入书本底部与书架之间的间隙；

S505：第一伺服电机再次启动，驱动升降平台再次上升，将目标书本抬高，两个双轴伺服电机同时反向启动，摇臂合拢并夹紧书本；

S506：第一伺服电机启动、两个贯通式步进电机同时反向启动，驱动升降平台上升的同时远离书架，使得书叉将书本从斜上方抽出；

S507：第一伺服电机反向转动，将目标书本送至书本暂存架上空闲的放书槽位置，两个双轴伺服电机同时反向转动，使两个摇臂打开，将书本卸下；同时，推杆电机驱动定位滑台移动，调整放书槽位置，书本落入放书槽内；

S60：机器人主控制器扫读书本的预约信息，若该位置还有其他待取书本，则重复步骤S50，若无待取书本，则升降平台和伸缩机构回到待命位置，推杆电机将书本暂存架收回，支撑腿收回，运动底盘运行至下一目的地，若未发现目标书本，则机器人将错误信息传送给图书馆网络，图书馆网络通过APP告知用户；

S70：机器人自主规划行进路线并运行至取书窗口，工作人员将书本卸下，等待用户领取。

进一步的，步骤S40和步骤S70中，车体自主导航功能的实现方法包括以下步骤：

S401：在运动底盘的底面安装红外循迹传感器和灰度传感器，为机器人运动提供导航；

S402：基于先进的比较成熟的循迹算法，将循迹轨道规划成具有x方向和y方向的网格，所述网格供红外循迹传感器识别，网格交点用彩色标出，供灰度传感器识别；

S403：机器人主控制器基于PID控制算法沿轨迹运行，在机器人运行过程中，通过传感器读取地面上的标记，将采集的信息发送给主控制器，每到达一个交点，即获取一个自身位置坐标，并规划接下来的路线，实现机器人的自主导航。

与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：

1、本发明通过机器人主控制器、图书馆网络与用户APP之间建立物联网系统，使得用户可在APP上方便查阅书籍信息并可远程预约借书，避免用户因无法获知图书馆藏书信息和可借阅情况而需要到图书馆进行现场查阅和借书以及可能无法成功借到所需书籍所带来的不必要时间浪费，使得图书馆管理的更具人性化和科学化，极大改善了图书馆的服务效率和信息化水平；

2、本发明的机器人根据图书借阅信息自主规划行进路线，行进至图书所在位置自动完成书籍的抓取、暂存并送至借阅处，避免人工找寻和取出书籍存在的不便，提升了图书借阅过程的工作效率，也可减少图书馆人力资源的投入；

3、本发明通过在运动底盘设置可收放的支撑腿，平时支撑腿收起，配合降低伸缩机构，收起书本暂存架，使机器人重心降低，正投影面积减小，实现机器人在图书馆狭窄的藏书区平稳、灵活地运动；到达目的地后，支撑腿打开，形成稳固与地面上的支撑，保证上层机构运行平稳，不发生倾倒，方便机器人管理更高层的图书；支撑腿外形的设计能够很好地适应图书馆的狭窄地形，展开时支撑板贴合地面或直接伸入书架与地面间的缝隙，不会与附近书架碰撞；

4、本发明的机器人采用位置可调的书本暂存架，当机器人运动底盘运动时，书本暂存架收回，机器人宽度减小，方便狭窄地区的行驶，保持运动时的平衡，当机器人到达目标书架时，暂存架打开；书本暂存架多自由度配合书本夹具，方便书本夹具卸书，可根据需要安装不同挡板分布的放书槽，具有较高的灵活性；

5、本发明的机器人采用多自由度的爪式取书手，书叉可自动对准目标书本并插入书本底部与书架的缝隙，升降平台将目标书本抬高后摇臂合拢并夹紧书本，三爪式取书手将书本从书架的斜上方抽出并送至书本暂存架卸下，可满足不同厚度、大小书本的抓取需求，具备较好的适应能力，同时对书本倾倒具有一定的适应能力，使得抓取时书本不易掉落，提高了取书的成功率和效率。

附图说明

图1为本发明一种智能图书管理机器人的整体结构示意图；

图2为本发明一种智能图书管理机器人伸缩机构的结构示意图；

图3为本发明一种智能图书管理机器人书本夹具的结构示意图；

图4为本发明一种智能图书管理机器人书本暂存架的结构示意图；

图5为本发明一种智能图书管理机器人支撑腿的机构示意图；

图6为本发明一种智能图书管理机器人借阅方法的流程示意图。

图中：1升降机构、11支架底板、12第一丝杠、13第一光轴、14第一带座轴承、15支架顶板、2伸缩机构、21升降平台、22滑块支座、23平移丝杠、24配重、25贯通式步进电机、26第一丝杠螺母、27第一直线轴承、28第二带座轴承、3书本夹具、31中心侧板、32侧板、33角码、34第二丝杠、35第二光轴、36第二伺服电机、37书叉、38摇臂、39第二丝杠螺母、4书本暂存架、40第二直线轴承、41导轨副、42定位滑台、43放书槽、44推杆电机、45滑块、46挡板、47双轴伺服电机、48安装槽、49图像识别摄像头、5运动底盘、51车体、52第三伺服电机、53支架、54导向滑块、55连杆、56支撑板、57第三光轴、58第三丝杠、6支架、7三爪式取书手。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1，一种智能图书管理机器人，包括运动底盘5、升降机构1、伸缩机构2、书本夹具3、书本暂存架4。

所述升降机构1安装于运动底盘5的顶部，用于驱动伸缩机构2和书本夹具3的垂直升降。升降机构1包括第一伺服电机(图中未示出)、支架底板11、支架顶板15、两根第一丝杠12和两根第一光轴13。

支架顶板15和支架底板11均为长方形板，支架底板11螺栓固定安装于运动底盘5的顶面，支架顶板15平行设置于支架底板11的上方，支架顶板15和支架底板11相对的表面在四角位置均各固定安装有一个第一带座轴承14。两个第一光轴13和两个第一丝杠12的轴线垂直分布，并在支架底板11和支架顶板15之间成对角设置。第一光轴13的两端固定于支架底板11和支架顶板15上的第一带座轴承14内。第一伺服电机安装于运动底盘5内，第一丝杠12的底端穿过支架底板11并通过联轴器传动连接于第一伺服电机的输出端，第一丝杠12的顶端转动连接于支架顶板底面上的第一带座轴承14内。

所述伸缩机构2安装于升降机构1的执行端，用于驱动书本夹具3的水平纵向(与图1中运动底盘5行进方向在水平面内相垂直的方向)伸缩。如图2所示，所述伸缩机构2包括升降平台21、四个滑块支座22、两个平移丝杠23、配重24、两个贯通式步进电机25。

升降平台21为方形平板，其外形轮廓与支架底板11/支架顶板15相同。升降平台21的四个角上各设有一个通孔，一对角上的两个通孔处各同轴固定连接有一个第一直线轴承27，另一对角上的两个通孔处各固定连接有一个第一丝杠螺母26。两个第一直线轴承27和两个第二丝杠螺母26的中心轴竖直设置，一一对应地与升降机构1中的两个第一光轴13和两个第一丝杠12滑动套接/螺纹套接。

四个滑块支座22分别对称地固定连接于升降平台21的顶面两侧，两个平移丝杠23的轴线水平平行设置，平移丝杠23的两端分别贯穿两个滑块支座22并与两个滑块支座22螺纹连接。两个平移丝杠23的同一端分别通过第二带座轴承28转动连接于配重的侧面。贯通式步进电机25固定安装于升降平台21的顶面，平移丝杠23位于贯通式步进电机25内，贯通式步进电机25驱动平移丝杠23的转动。

所述书本夹具3安装于伸缩机构2的执行端，如图3所示，书本夹具3包括位置调整机构和安装于位置调整机构执行端的三爪式取书手，位置调整机构用于三爪式取书手的水平横向(与图1中运动底盘5行进方向相平行的方向)位置调整，三爪式取书手用于书本的抓取；

所述位置调整机构包括支撑架板、第二伺服电机36、第二丝杠34、第二光轴35。支撑架板由一对竖直相对放置的侧板32和一个中心侧板31组成，中心侧板31位于两个侧板32之间并与侧板32成直角，中心侧板31与侧板32之间通过角码33固定连接。中心侧板31远离侧板32的侧面上固定安装有两个与平移丝杠23另一端转动连接的第二带座轴承28。侧板32上设有通孔，第二丝杠34和第二光轴35中心轴水平平行设置地穿过通孔并转动安装于两侧板32之间。第二伺服电机36固定安装于一侧侧板32的外侧面上，第二伺服电机36输出轴端通过联轴器与第二丝杠34的端部传动连接。

所述三爪式取书手包括书叉37、摇臂38、两个双轴伺服电机47。书叉37为L形，由水平的叉杆和一体设置于叉杆顶部一端的U型垂直侧板构成。叉杆的末端为锐角楔形状，便于叉杆插入书本的底部。U型垂直侧板的两个相对侧面个开设有两个通孔，一个通孔内固定安装有第二丝杠螺母39，另一个通孔内固定安装有第二直线轴承40。第二丝杠螺母39螺纹套接于第二丝杠34上，第二直线轴承40滑动套接在第二光轴35上。

U型垂直侧板的两个相对侧面外壁上还对称设置有安装槽48，两个双轴伺服电机47分别安装于两个安装槽48内。所述摇臂38包括上、下两片壁板和固定连接于两片壁板之间的立柱，壁板的端部为半圆形，半圆形的末端涂覆有高摩擦系数材料并嵌状有电阻式薄膜压力传感器，以增强摇臂38抓取书本时摇臂38与书本表面的摩擦力，并实时获取抓取力。双轴伺服电机47的两个输出端分别与摇臂38的两个壁板的同一端固定连接。

U型垂直侧板的中部顶端还设有图像识别摄像头49，用于采集书本书脊上的书本信息。

所述书本暂存架安装于运动底盘5的顶部并位于书本夹具3的正下方，用于书本的暂存放置。如图4所示，书本暂存架包括推杆电机44、定位滑台42、放书槽43和导轨副41，所述推杆电机44和导轨副41分别固定安装于运动底盘5的顶面，导轨副41的长度方向与运动底盘5的前行方向相垂直。定位滑台42的底面两侧分别固定连接有滑块45，滑块45分别对应地与导轨副41滑动连接，使得定位滑台滑动连接于导轨副的顶部。

推杆电机44固定安装于导轨副41中间，推杆电机41输出端与定位滑台42的底部固定连接，推杆电机41驱动定位滑台42在导轨副41上直线运动。放书槽43固定安装于定位滑台42的顶面上。放书槽43内滑动连接有多个挡板46，形成一个个独立的放书位。挡板46可在放书槽43内水平移动，便于调整各个挡板46之间的间距，以适应不同尺寸规格书本的存放。

所述运动底盘5包括具有自主导航功能的车体和四个设置于车体两侧的支撑腿，用于机器人的移动和定位。车体51采用两轮驱动的小车，小车的底面还设有万向轮，可实现小车的驱动和方向转换。

如图5所示，所述支撑腿包括支架53、导向滑块54、连杆55、支撑板56、第三伺服电机52。支架53固定于车体51的侧面，53支架内设有第三丝杠58和第三光轴57，导向滑块54螺纹连接于第三丝杠58上并活动套接于第三光轴57上。支撑板56的顶端与导向滑块54的外侧面铰接，连杆55的一端铰接于支架53的底部、另一端铰接于支撑板56的中部。第三伺服电机52安装于支架的底面，第三伺服电机52的输出轴端与第三丝杠58的端部传动连接。

运动底盘5内集成有传感系统(图中未示出)和控制系统(图中未示出)，所述控制系统用于与图书馆网络、用户APP进行数据传输，并控制各机构动力装置的动作，所述传感系统与控制系统电性连接，用于信息的采集。

所述控制系统包括机器人主控制器、Wi-Fi收发模块和对应于各机构伺服电机的电机控制器；

所述传感器系统包括对应于各机构伺服电机的编码器、嵌于书本夹具3上的电阻式薄膜压力传感器、安装于书本夹具3上的图像识别摄像头、安装于运动底盘5底部的红外循迹传感器和灰度传感器和对应于各机构动力装置的限位开关。

机器人主控制器与图书馆网络通过Wi-Fi收发模块双向连接，机器人主控制器分别与每个电机控制器、Wi-Fi收发模块控制连接，每个电机控制器分别与对应机构的伺服电机电连接，编码器、电阻式薄膜压力传感器、红外循迹传感器、灰度传感器、图像识别摄像头、限位开关分别与机器人主控制器信号传递连接。机器人主控制器、Wi-Fi收发模块、电机控制器集成为一体，形成集成结构后，固定于运动底盘车体内。

一种基于所述的一种智能图书管理机器人的借阅方法，包括以下步骤：

S10：图书馆引进所述智能图书管理机器人并完成相关适应性调试；

提供一款面向读者的用户APP，所述用户APP以方便读者查阅的方式分类显示书籍，读者在用户APP中注册账号并登录后，可以查阅图书馆的藏书信息、可借阅情况，同时可选取需要借阅的图书，还可以在所述用户APP上预约何时到图书馆取书。

S20：用户在APP中选取需要借阅的图书，预约何时到图书馆取书；

用户可在APP上读取所选图书的简介、目录等信息，便于用于快速确定自己想要借阅的图书。

S30：APP将取书信息发出至图书馆网络，在图书馆网络内将信息与图书馆数据库进行匹配，匹配成功后图书馆网络将该书本的预约信息和位置信息发送给管理机器人，同时将预约成功的信息发送至用户的APP，以提醒借阅者及时去取书；

S40：机器人得到取书信息后，开启传感系统与控制系统，从起点出发，通过传感器系统采集地面标记信息，发送给机器人主控制器，由机器人主控制器计算得到获取自身位置坐标，自主规划行进路线并运行至距离目标书本最近的坐标；

车体1自主导航功能的实现方法包括以下步骤：

S401：在运动底盘5的底面安装红外循迹传感器和灰度传感器，为机器人运动提供导航；

S402：基于PID控制算法进行循迹规划，将循迹轨道规划成具有x方向和y方向的网格，所述网格供红外循迹传感器识别，网格交点用彩色标出，供灰度传感器识别；

S403：机器人主控制器基于PID控制算法沿轨迹运行，在机器人运行过程中，通过传感器读取地面上的标记，将采集的信息发送给主控制器，每到达一个交点，即获取一个自身位置坐标，并规划接下来的路线，实现机器人的自主导航。

S50：机器人主控制器确认到达目的地后，机器人开始进行取书动作，取出过程包括以下步骤：

S501：机器人主控制器控制运动底盘5停止，四条支撑腿放下，使运动底盘5稳固立于地面，推杆电机44将书本暂存架4推出至放书位置；

S502：第一伺服电机启动，将升降平台21驱动至与目标书本同高位置，图像识别摄像头通过读取书籍脊背上的条形码信息，确认为目标书本；

S503：第二伺服电机36启动，驱动书叉37水平移动并对准目标书本，两个双轴伺服电机47同时启动，使两个摇臂38处于打开状态；

S504：两个贯通式步进电机25同时启动，驱动书叉37靠近目标书本至书叉37插入书本底部与书架之间的间隙；

S505：第一伺服电机再次启动，驱动升降平台21再次上升，将目标书本抬高，两个双轴伺服电机47同时反向启动，摇臂38合拢并夹紧书本；

S506：第一伺服电机启动、两个贯通式步进电机25同时反向启动，驱动升降平台21上升的同时远离书架，使得书叉37将书本从斜上方抽出；

S507：第一伺服电机反向转动，将目标书本送至书本暂存架4上空闲的放书槽43位置，两个双轴伺服电机47同时反向转动，使两个摇臂38打开，将书本卸下；同时，推杆电机44驱动定位滑台移动，调整放书槽43位置，书本落入放书槽43内；

S60：机器人主控制器扫读书本的预约信息，若该位置还有其他待取书本，则重复步骤S50，若无待取书本，则升降平台21和伸缩机构2回到待命位置，推杆电机44将书本暂存架4收回，支撑腿收回，运动底盘5运行至下一目的地，若未发现目标书本，则机器人将错误信息传送给图书馆网络，图书馆网络通过APP告知用户；

S70：机器人采用与步骤S40中相同的自主导向功能实现自主规划行进路线并运行至取书窗口，工作人员将书本卸下，等待用户领取。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种智能图书管理机器人，其特征在于：包括运动底盘、升降机构、伸缩机构、书本夹具、书本暂存架；

所述升降机构安装于运动底盘的顶部，用于驱动伸缩机构和书本夹具的垂直升降；

所述伸缩机构安装于升降机构的执行端，用于驱动书本夹具的水平纵向伸缩；

所述书本夹具安装于伸缩机构的执行端，包括位置调整机构和安装于位置调整机构执行端的三爪式取书手，位置调整机构用于三爪式取书手的水平横向位置调整，三爪式取书手用于书本的抓取；

所述书本暂存架安装于运动底盘的顶部并位于书本夹具的正下方，用于书本的暂存放置；

所述运动底盘包括具有自主导航功能的车体和多个设置于车体两侧的支撑腿，用于机器人的移动和定位；

所述运动底盘内集成有传感系统和控制系统，所述控制系统用于与图书馆网络、用户APP进行数据传输，并控制各机构动力装置的动作，所述传感系统与控制系统电性连接，用于信息的采集。

2.根据权利要求1所述的一种智能图书管理机器人，其特征在于：所述升降机构包括第一伺服电机、支架底板、支架顶板、至少一根第一丝杠和多根第一光轴；

所述第一伺服电机安装于运动底盘内，支架底板固定安装于运动底盘的顶面，第一光轴固定于支架底板上，支架顶板固定于第一光轴的顶端，第一丝杠的一端传动连接于第一伺服电机的输出端、另一端转动连接于支架顶板的底面。

3.根据权利要求1所述的一种智能图书管理机器人，其特征在于：所述伸缩机构包括升降平台、多个滑块支座、两个平移丝杠、配重、两个贯通式步进电机；

所述升降平台安装于升降机构的执行端，滑块支座固定连接于升降平台的顶面两侧，贯通式步进电机固定安装于升降平台的顶面，平移丝杠的两端分别与两个滑块支座螺纹连接，且平移丝杠的一端部与配重转动连接、另一端部与书本夹具转动连接。

4.根据权利要求1所述的一种智能图书管理机器人，其特征在于：所述位置调整机构包括支撑架板、第二伺服电机、第二丝杠、第二光轴，第二伺服电机安装于支撑架板的侧面，第二丝杠的一端传动连接于第二伺服电机的输出轴端、第二丝杠的另一端转动安装于支撑架板上，第二光轴固定安装于支撑架板内并与第二丝杠平行设置；

所述三爪式取书手包括书叉、摇臂、双轴伺服电机，所述书叉的两侧面各安装有一个双轴伺服电机，每个双轴伺服电机的输出轴端固定连接有一个摇臂。

5.根据权利要求4所述的一种智能图书管理机器人，其特征在于：所述书叉为L形，书叉水平部分的末端为锐角楔形状，书叉的竖直部分螺纹连接于第二丝杠上并滑动套接于第二光轴上；

所述摇臂包括上、下两片壁板和固定连接于两片壁板之间的立柱，壁板的端部为半圆形。

6.根据权利要求1所述的一种智能图书管理机器人，其特征在于：所述书本暂存架包括推杆电机、定位滑台、放书槽和导轨副，所述推杆电机和导轨副分别固定安装于运动底盘的顶面，所述定位滑台与推杆电机的输出轴端固定连接并滑动连接于导轨副的顶部，所述放书槽固定于定位滑台的顶面。

7.根据权利要求1所述的一种智能图书管理机器人，其特征在于：所述支撑腿包括支架、导向滑块、连杆、支撑板、第三伺服电机，所述支架固定于车体的侧面，支架内设有第三丝杠和第三光轴，导向滑块螺纹连接于第三丝杠上并活动套接于第三光轴上，支撑板一端与导向滑块铰接，连杆的一端铰接于支架的底部、另一端铰接于支撑板的中部，所述第三伺服电机安装于支架的底面，第三伺服电机的输出轴端与第三丝杠的端部传动连接。

8.根据权利要求1所述的一种智能图书管理机器人，其特征在于：所述控制系统包括机器人主控制器、Wi-Fi收发模块和对应于各机构动力装置的电机控制器；

所述传感器系统包括对应于各机构动力装置的编码器、嵌于书本夹具上的电阻式薄膜压力传感器、安装于书本夹具上的图像识别摄像头、安装于运动底盘底部的红外循迹传感器和灰度传感器和对应于各机构动力装置的限位开关；

所述机器人主控制器与图书馆网络通过Wi-Fi收发模块双向连接，机器人主控制器分别与每个电机控制器、Wi-Fi收发模块控制连接，每个电机控制器分别与对应机构的动力装置电连接，所述编码器、电阻式薄膜压力传感器、红外循迹传感器、灰度传感器、图像识别摄像头、限位开关分别与机器人主控制器信号传递连接。

9.一种基于权利要求1-8所述的一种智能图书管理机器人的借阅方法，其特征在于：包括以下步骤：

S10：图书馆引进所述智能图书管理机器人并完成相关适应性调试；

S20：用户在APP中选取需要借阅的图书，预约何时到图书馆取书；

S30：APP将取书信息发出至图书馆网络，在图书馆网络内将信息与图书馆数据库进行匹配，匹配成功后图书馆网络将该书本的预约信息和位置信息发送给管理机器人；

S40：机器人得到取书信息后，开启传感系统与控制系统，从起点出发，通过传感器系统采集地面标记信息，发送给机器人主控制器，由机器人主控制器计算得到获取自身位置坐标，自主规划行进路线并运行至距离目标书本最近的坐标；

S50：机器人主控制器确认到达目的地后，机器人开始进行取书动作，取出过程包括以下步骤：

S501：机器人主控制器控制运动底盘停止，四条支撑腿放下，使运动底盘稳固立于地面，推杆电机将书本暂存架推出至放书位置；

S502：第一伺服电机启动，将升降平台驱动至与目标书本同高位置，图像识别摄像头通过读取书籍脊背上的条形码信息，确认为目标书本；

S503：第二伺服电机启动，驱动书叉水平移动并对准目标书本，两个双轴伺服电机同时启动，使两个摇臂处于打开状态；

S504：两个贯通式步进电机同时启动，驱动书叉靠近目标书本至书叉插入书本底部与书架之间的间隙；

S505：第一伺服电机再次启动，驱动升降平台再次上升，将目标书本抬高，两个双轴伺服电机同时反向启动，摇臂合拢并夹紧书本；

S506：第一伺服电机启动、两个贯通式步进电机同时反向启动，驱动升降平台上升的同时远离书架，使得书叉将书本从斜上方抽出；

S507：第一伺服电机反向转动，将目标书本送至书本暂存架上空闲的放书槽位置，两个双轴伺服电机同时反向转动，使两个摇臂打开，将书本卸下；同时，推杆电机驱动定位滑台移动，调整放书槽位置，书本落入放书槽内；

S60：机器人主控制器扫读书本的预约信息，若该位置还有其他待取书本，则重复步骤S50，若无待取书本，则升降平台和伸缩机构回到待命位置，推杆电机将书本暂存架收回，支撑腿收回，运动底盘运行至下一目的地，若未发现目标书本，则机器人将错误信息传送给图书馆网络，图书馆网络通过APP告知用户；

S70：机器人自主规划行进路线并运行至取书窗口，工作人员将书本卸下，等待用户领取。

10.根据权利要求书9所述的一种智能图书管理机器人，其特征在于：步骤S40和步骤S70中，车体自主导航功能的实现方法包括以下步骤：

S401：在运动底盘的底面安装红外循迹传感器和灰度传感器，为机器人运动提供导航；

S402：基于先进的比较成熟的循迹算法，将循迹轨道规划成具有x方向和y方向的网格，所述网格供红外循迹传感器识别，网格交点用彩色标出，供灰度传感器识别；

S403：机器人主控制器基于PID控制算法沿轨迹运行，在机器人运行过程中，通过传感器读取地面上的标记，将采集的信息发送给主控制器，每到达一个交点，即获取一个自身位置坐标，并规划接下来的路线，实现机器人的自主导航。

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