CN113084777A - 一种基于ros的图书馆自动取放图书机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于ROS的图书馆自动取放图书机器人，它包括移动底盘，升降平台，抓取装置、多格收纳箱、触摸屏和供电单元；所述升降平台，多格收纳箱、触摸屏和供电单元均设置在所述移动底盘上，所述抓取装置设置在所述升降平台上；所述供电单元分别与所述移动底盘，升降平台，抓取装置、多格收纳箱和触摸屏电路连接。本发明可实现机器人在图书馆内创建地图、自动导航以及对所有书架层上目标的抓取和放置，节省工作人员放置图书所需的人力物力，帮助读者自动找到其所需图书并交给读者，减少寻书所耗费的时间，增强了阅读体验感，有效减少在公共场所人与人之间的接触，降低流行性疾病感染的可能性。

Description

一种基于ROS的图书馆自动取放图书机器人

技术领域

本申请涉及机器人领域，具体涉及一种基于ROS的图书馆自动取放图书机器人。

背景技术

随着科技的发展，机器人已经应用到了日常生活的多个领域。图书馆由于面积大，书架和书籍众多，人员流动量大，每日都会有大量的图书需要整理，需要耗费大量人力和时间。图书整理不及时会导致读者找书需要耗费大量时间，影响了读者的阅读体验。对于残障人士等特殊人群，在找书时有众多不方便，需要图书馆的工作人员提供帮助。在流行性疾病发生的期间，人流走动大容易增大感染的可能性。

为解决上述问题，图书馆引入了图书机器人辅助工作人员工作，但目前图书馆里基于ROS开发的自动导航机器人，只能告知读者图书所在的位置，无法自动帮读者取出其想要的图书，也无法帮助工作人员自动归还需放置的图书。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于ROS的图书馆自动取放图书机器人，实现机器人在图书馆内创建地图、自动导航以及对所有书架层上目标的抓取和放置，帮助读者取出其想要的图书并自动送到读者所在位置，同时帮助工作人员放置需归还的图书到指定书架和位置，提升图书馆内的作业效率和服务质量，减少在公共场所人与人之间的接触，降低流行性疾病感染的可能性。

本发明采取的技术方案是：一种基于ROS的图书馆自动取放图书机器人，包括移动底盘、升降平台、抓取装置、多格收纳箱、触摸屏和供电单元；所述升降平台、多格收纳箱、触摸屏和供电单元均设置在所述移动底盘上，所述抓取装置设置在所述升降平台上；所述供电单元分别与所述移动底盘、升降平台、抓取装置、多格收纳箱和触摸屏电路连接；

所述移动底盘上设置有带ROS系统的上位机、带微控制单元的下位机、激光雷达、深度摄像头、激光测距传感器、IMU模块、WIFI无线模块、运动驱动模块、移动机构和第一支架；所述带ROS系统的上位机和所述带微控制单元的下位机通过串行接口进行连接和数据通信，所述带ROS系统的上位机还和所述触摸屏连接；所述激光雷达和深度摄像头与所述带ROS系统的上位机连接；所述激光测距传感器、IMU模块、WIFI无线模块、运动驱动模块、抓取装置和多格收纳箱均与所述带微控制单元的下位机电路连接；所述深度摄像头设置在所述移动底盘的前挡板上，所述激光测距传感器设置在所述移动底盘的左右两侧挡板上，所述激光雷达和第一支架设置在所述移动底盘顶部，所述运动驱动模块和移动机构设置在所述移动底盘底部，所述运动驱动模块与所述移动机构连接；

所述运动驱动模块包括电机驱动模块、旋转编码器模块和直流减速电机；所述电机驱动模块和旋转编码器均与所述带微控制单元的下位机电路连接，所述直流减速电机与所述电机驱动模块和旋转编码器模块电路连接；

所述多格收纳箱包括箱体、标签扫描传感器和接触感应模块；所述箱体内设置有横挡板和竖挡板，将箱体内分隔为若干个收纳格；所述接触感应模块设置在所述收纳格内；所述标签扫描传感器设置在所述箱体内侧面，所述标签扫描传感器和接触感应模块均与所述带微控制单元的下位机电路连接。

进一步地，所述带ROS系统的上位机包括地图创建模块、目标定位模块、全局路径规划模块、本地路径规划模块和人机交互模块；所述地图创建模块与所述激光雷达和深度摄像头数据连接，并根据所述激光雷达和深度摄像头的反馈数据创建全局电子地图和局部电子地图；所述目标定位模块和全局路径规划模块均与所述地图创建模块数据连接；所述本地路径规划模块与所述IMU模块和运动驱动模块连接，并根据IMU模块和运动驱动模块所反馈数据确定机器人所在地图的位置和里程信息，实时规划最佳行驶路线；所述人机交互模块与所述触摸屏连接，用于实现人机交互。

进一步地，所述升降平台包括第一底座、承重台、升降臂、平轴、堵板、调节轴、调节电机和连接轴；所述第一底座和承重台之间设置有偶数对升降臂，同一水平面对应的两对升降臂通过所述平轴连接，所述升降臂包括第一升降架和所述第二升降架，所述第一升降架和所述第二升降架交叉旋转连接为一对升降臂；同侧相邻两升降臂的第一升降架和所述第二升降架通过所述连接轴连接；同一水平面对应的两对升降臂的第一升降架和所述第二升降架通过所述堵板进行固定连接；所述调节电机与所述调节轴连接，所述调节轴与所述连接轴连接；所述调节电机与带微控制单元的下位机电路连接。

进一步地，所述升降臂的对数为2对、4对、6对、8对或10对。

进一步地，所述抓取装置包括openmv摄像头和机械臂；所述机械臂包括第二底座、第一舵机、第二舵机、第三舵机、第四舵机、第五舵机、第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂、机械爪、连杆、第二支架、舵盘和轴承；所述openmv摄像头设置在所述第二底座上；所述第二底座上 设置有第一舵机；所述第一机械臂与第二底座连接；所述第二机械臂与第一机械臂通过第二舵机、第三舵机、舵盘和轴承进行连接；所述第三机械臂和第二机械臂通过舵盘、轴承和连杆连接；所述第四舵机通过第二支架与第三机械臂固定连接；所述第二支架与所述机械爪连接，所述机械爪与第五舵机连接。

进一步地，所述第一机械臂在水平范围内旋转，旋转角度为0~270°；所述第二机械臂在竖直范围内旋转，旋转角度为0~180°；所述第三机械臂在竖直范围内旋转，旋转角度为0~270°；机械爪在竖直范围内旋转，旋转角度为0~270°，张合距离为0~11cm。

进一步地，所述横挡板的数量为1~9块，所述竖挡板的数量为1~2块。

进一步地，所述供电单元包括锂电池和稳压模块，所述锂电池与所述稳压模块电路连接。

进一步地，所述移动机构为驱动轮，所述驱动轮与所述直流减速电机连接，所述驱动轮外径为15cm，轮宽为2.4cm，胎面为优质PU橡胶。

进一步地，所述移动底盘的后挡板上设置有移动电源充电插口。

本发明的有益效果在于：

（1）同时使用视觉SLAM和激光SLAM的融合建图提高地图融合效率，提升电子地图的构建精度、观测区域、鲁棒性和容错性；采用卡尔曼滤波算法将IMU模块采集的惯性数据和旋转编码器采集的轮速数据进行数据融合得到机器人的位姿信息，提高了机器人位姿估算的准确度；分别采用A*算法和DWA算法实现全局路径规划和本地路径规划，并用蒙特卡罗定位算法进行位置校正，使得机器人的定位更加准确，从而实现精准导航；

（2）包括移动底盘、升降台、抓取装置和多格收纳箱多个部件，各部分分工明确，不仅可实现对书架上不同高度书架层上目标的抓取作业，同时使用openmv摄像头进行坐标定位，使抓取作业准确度更高，速度更快；多格收纳箱的多格设计使得一次作业能同时放置和取下多本图书，同时标签扫描传感器使得图书的信息采集更加方便快捷，大大提高作业效率；

（3）读者能通过出触摸屏上的界面轻松浏览查阅和选择想要的图书，本发明会自动导航行驶、抓取目标并返回出发点交给读者，节省了读者寻书所需的时间和体力，提高了读者的阅读体验；

（4）在流行性疾病发生的期间，有效减少在公共场所人与人之间的接触，降低流行性疾病感染的可能性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的移动底盘的结构示意图；

图3为本发明实施例的升降平台的结构示意图；

图4为本发明实施例的抓取装置的结构示意图；

图5为本发明实施例的多格收纳箱的结构示意图；

图6为本发明实施例的控制系统原理图。

附图标记解释：1. 移动底盘、2. 升降平台、3. 抓取装置、4. 多格收纳箱、5. 触摸屏、6. 供电单元、101. 带ROS系统的上位机、102. 带微控制单元的下位机、103. 激光雷达、104. 深度摄像头、105. 激光测距传感器、106. IMU模块、107. WIFI无线模块、108. 运动驱动模块、109. 移动机构、110. 第一支架、111. 移动电源充电插口、201. 第一底座、202. 承重台、203. 升降臂、204. 平轴、205. 堵板、206. 调节轴、207. 调节电机、208. 第一升降架、209. 第二升降架、210. 连接轴、301. openmv摄像头、302. 第二底座、303. 第一舵机、304. 第二舵机、305. 第三舵机、306. 第四舵机、307. 第五舵机、308. 第一机械臂、309. 第二机械臂、310. 第三机械臂、311. 机械爪、312. 连杆、313. 第二支架、314.舵盘、315. 轴承、401.箱体、402. 标签扫描传感器、403. 接触感应模块、404. 横挡板、405. 竖挡板。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所述领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样， “一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。 “连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。 “上”、 “下”、 “左”、 “右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

如图1~图6所示，一种基于ROS的图书馆自动取放图书机器人，包括移动底盘1、升降平台2、抓取装置3、多格收纳箱4、触摸屏5和供电单元6；所述升降平台2、多格收纳箱4、触摸屏5和供电单元6均设置在所述移动底盘1上，所述抓取装置3设置在所述升降平台2上；所述供电单元6分别与所述移动底盘1，升降平台2，抓取装置3、多格收纳箱4和触摸屏5电路连接；

所述移动底盘1上设置有带ROS系统的上位机101、带微控制单元的下位机102、激光雷达103、深度摄像头104、激光测距传感器105、IMU模块106、WIFI无线模块107、运动驱动模块108、移动机构109和第一支架110；所述带ROS系统的上位机101和所述带微控制单元的下位机102通过串行接口进行连接和数据通信，所述带ROS系统的上位机101还和所述触摸屏5连接；所述激光雷达103和深度摄像头104与所述带ROS系统的上位机101连接；所述激光测距传感器105、IMU模块106、WIFI无线模块107、运动驱动模块108、抓取装置3和多格收纳箱4均与所述带微控制单元的下位机102电路连接；所述深度摄像头104设置在所述移动底盘1的前挡板上，所述激光测距传感器105设置在所述移动底盘1的左右两侧挡板上，所述激光雷达103和第一支架110设置在所述移动底盘1顶部，所述运动驱动模块108和移动机构109设置在所述移动底盘1底部，所述运动驱动模块108与所述移动机构109连接；

所述运动驱动模块108包括电机驱动模块、旋转编码器模块和直流减速电机；所述电机驱动模块和旋转编码器均与所述带微控制单元的下位机电路连接，所述直流减速电机与所述电机驱动模块和旋转编码器模块电路连接；

所述多格收纳箱4包括箱体401、标签扫描传感器402和接触感应模块403；所述箱体401内设置有横挡板404和竖挡板405，将箱体401内分隔为若干个收纳格；所述接触感应模块403设置在所述收纳格内；所述标签扫描传感器402设置在所述箱体401内侧面，所述标签扫描传感器402和接触感应模块403均与所述带微控制单元的下位机102电路连接。

本发明实施例可在使用过程中建立全局电子地图和局部电子地图，自动定位图书的位置信息并进行路径规划，躲避静态或动态障碍物，通过触摸屏5与用户进行人机交互，实现帮助用户拿取或归还图书。 所述移动底盘1用于实现本发明实施例的路径规划和自动导航行驶功能，带ROS系统的上位机101可实现地图创建、目标定位、线路规划、障碍识别和人机交互，带微控制单元的下位机102用于接收带ROS系统的上位机101的指令，获取本发明实施例的位姿信息，控制运动驱动模块108、升降平台2和抓取装置3；升降平台2用于调整抓取装置3作业的垂直高度；抓取装置3可实现对书架上和多格收纳箱4里的图书的放置和抓取作业；多格收纳箱4用于存放图书和登记图书信息；触摸屏5用于实现人机交互，用户通过所述触摸屏5浏览并挑选要阅读的图书，工作人员也可通过触摸屏5发布归还图书任务请求；供电单元6用于为本发明实施例提供电能。

激光雷达103可将采集的激光信息发送给带ROS系统的上位机101，深度摄像头104可将采集的三维点云数据发送给带ROS系统的上位机101，带ROS系统的上位机101可根据激光信息和三维点云数据剪辑地图；激光测距传感器105与所述带微控制单元的下位机102电路连接，用于在定位抓取装置3工作时，将本发明实施例和目标书架的调整到平行关系和合适的距离；IMU模块106通过IIC协议与带微控制单元的下位机102进行数据传输，用于通过融合算法采集机器人三轴姿态角以及加速度数据，对所述运动驱动模块108进行控制；所述运动驱动模块108包括电机驱动模块，旋转编码器模块和直流减速电机，所述电机驱动模块和旋转编码器均与所述带微控制单元的下位机102电路连接；所述直流减速电机与所述电机驱动模块和旋转编码器模块电路连接，直流减速电机与移动机构109机械连接，带微控制单元的下位机102则根据IMU模块106和旋转编码器返回的里程数据发出的运动控制指令，所述直流减速电机根据带微控制单元的下位机102发出的运动控制指令驱动移动机构109工作；WIFI无线模块107用于与带微控制单元的下位机102和远程云端服务器通讯，获取云端内的图书信息。

本发明实施例在执行取书任务时，具体步骤如下：

（1）读者通过本发明实施例的触摸屏5浏览图书馆内的书籍信息，并确认要借阅的目标书籍；

（2）带ROS系统的上位机101通过目标定位模块，定位借阅者和目标书籍所在位置后，通过全局路径规划模块和本地路径规划模块，自动导航本发明实施例行驶到目标书籍所在的书架；

（3）到达目标书架位置后，通过激光测距传感器105调整本发明实施例与书架的相对位置，再通过调整升降平台2的高度，使抓取装置3达到对应书架层，通过openmv摄像头301扫描书籍，待识别到目标书籍后，使用机械臂抓取目标，并放置在多格收纳箱4内；

（4）多格收纳箱4的接触感应模块403和标签扫描传感器402记录放入的书本信息以及书本放置的收纳格编号；

（5）若读者借阅多本书籍，则重复步骤（1）~（4）执行对下一目标的抓取；

（6）待本发明实施例完成对所有目标的抓取后，自动导航返回读者所在位置，并通过触摸屏5显示书本所在收纳箱里的编号信息提醒读者取书。

本发明实施例在执行放置图书任务时，具体步骤如下：

（1）工作人员将需归还的图书通过多格收纳箱4的标签扫描传感器402进行扫描登记，并放置在收纳格内，接触感应模块403和标签扫描传感器402建立2*9的数组，对每个收纳格内的书本放置情况进行数据保存；

（2）带微控制单元的下位机102将接触感应模块403和标签扫描传感器402保存的数据以及通过WIFI无线模块107收到的云端图书信息进行联立，得到图书的书架号、书架层号和图书编号等数据，并发送给带ROS系统的上位机101的目标定位模块；

（3）带ROS系统的上位机101的目标定位模块处理完信息后，全局路径规划模块和本地路径规划模块完成本发明实施例的自动导航，本发明实施例行驶到目标书架所在位置，并通过激光测距传感器105将本发明实施例调整到与书架合适距离和作业角度；

（4）带微控制单元的下位机102发送指令给升降平台2的调节电机207，调整升降平台2的高度，使抓取装置3达到对应书架层，机械臂抓取放在多格收纳箱4内的书本并进行放置，放置完后继续行驶到下个作业目标所在位置；

（5）本发明实施例按步骤（1）~（4）放置完多格收纳箱4内所有书本后，将会自动导航返回出发位置。

在本发明实施例中，所述带ROS系统的上位机101使用的是RaspBerry 4 Pi modelB处理器，搭载有Linux系统和ROS系统。所述带微控制单元的下位机102则使用STM32F429单片机作为主要处理器。所述带ROS系统的上位机101包括地图创建模块、目标定位模块、全局路径规划模块、本地路径规划模块和人机交互模块；所述地图创建模块与所述激光雷达103和深度摄像头104数据连接，并根据所述激光雷达103和深度摄像头104的反馈数据，使用SLAM算法创建全局电子地图和局部电子地图，所述地图创建模块同时使用激光SLAM和视觉SLAM融合建图，利用ROS中开源功能包，先通过视觉SLAM算法把深度摄像头104获取周围的点云三维数据转换成2D激光数据，再通过基于gmapping的2D激光SLAM算法把激光雷达103采集的数据转换成栅格地图，采用贝叶斯法则进行地图融合，得到全局和局部电子地图，提高地图融合效率，同时提升电子地图的构建精度、观测区域、鲁棒性和容错性；所述目标定位模块和全局路径规划模块均与所述地图创建模块数据连接，目标定位模块用于获取和定位目标图书所在书架号、书架层、图书编号以及在电子地图中的位置等信息；全局路径规划模块用于根据所创电子地图，机器人所在位置和目标书架或目标用户位置规划最佳行驶路径，在导航中使用A*算法进行全局路径的规划，计算出本发明实施例到目标位置的最优路线，作为本发明实施例的全局路线；所述本地路径规划模块与所述IMU模块106和运动驱动模块108连接，并根据IMU模块106和运动驱动模块108所反馈数据，采用卡尔曼滤波算法确定机器人所在地图的位置和里程信息，进行位姿估计，并利用蒙特卡罗定位算法用于位置矫正，同时使用DWA算法搜索躲避和行进的多条路径，使本发明实施例在实际行驶过程中识别和躲避静态或动态障碍物，实时规划最佳行驶路线，实现精准导航；所述人机交互模块与所述触摸屏5连接，用于实现人机交互。所述移动机构109为驱动轮，所述驱动轮与所述直流减速电机连接，所述驱动轮外径为15cm，轮宽为2.4cm，胎面为优质PU橡胶，可有效减少本发明实施例在运动过程中产生的噪音，为读者提供一个良好的阅读环境，避免打扰读者阅读。

带微控制单元的下位机102可接收激光测距传感器105的返回信号，对障碍物进行距离判断；采用卡尔曼滤波算法将IMU模块106采集的惯性数据和旋转编码器采集的轮速数据进行数据融合得到本发明实施例的位姿信息，提高位姿估算的准确度；通过标签扫描传感器402和接触感应模块403所反馈的书本编号以及书本在存放箱内的位置编号，判断书本要归还到的书架号和书架层号并控制升降平台2调节垂直高度到目标层数对应高度；发送指令给抓取装置3对书本进行放置或取书操作；带微控制单元的下位机102可与带ROS系统的上位机101进行通信，将上述采集并计算得到的位姿信息和目标书架位置信息发送给带ROS系统的上位机101，并接受带ROS系统的上位机101发送的运动控制指令；

所述升降平台2包括第一底座201、承重台202、升降臂203、平轴204、堵板205、调节轴206、调节电机207和连接轴210；所述第一底座201和承重台202之间设置有偶数对升降臂203，同一水平面对应的两对升降臂203通过所述平轴204连接，所述升降臂203包括第一升降架208和所述第二升降架209，所述第一升降架208和所述第二升降架209交叉旋转连接为一对升降臂203；同侧相邻两升降臂203的第一升降架208和所述第二升降架209通过所述连接轴210连接；同一水平面对应的两对升降臂203的第一升降架208和所述第二升降架209通过所述堵板205进行固定连接；所述调节电机207与所述调节轴206连接，所述调节轴206与所述连接轴210连接，靠近调节电机207的连接轴210上设置有穿孔，所述调节轴206穿过所述穿孔并通过螺纹与远离调节电机207的连接轴210连接；所述调节电机207与带微控制单元的下位机102电路连接，由带微控制单元的下位机102控制调节电机207转动，调节电机207带动调节轴206转动，靠近调节电机207的连接轴210上没有螺纹，在调节轴206转动的过程中不会移动，而远离调节电机207的连接轴210在螺纹作用下沿着调节轴206移动，改变第一升降架208和第二升降架209的夹角，实现升降平台2的高度调节。根据实际的应用场景，所述升降臂203的对数可设置为2对、4对、6对、8对或10对，使本发明实施例匹配不同的书架高度。在本发明实施例中，所述升降臂203的对数为4对，垂直升降高度区间为5cm~80cm。

所述抓取装置3包括openmv摄像头301和机械臂；所述机械臂包括第二底座302、第一舵机303、第二舵机304、第三舵机305、第四舵机306、第五舵机307、第一机械臂308、第二机械臂309、第三机械臂310、机械爪311、连杆312、第二支架313、舵盘314和轴承315；所述openmv摄像头301设置在所述第二底座302上；所述第二底座302上设置有第一舵机303；所述第一机械臂308与第二底座302连接；所述第二机械臂309与第一机械臂308通过第二舵机304、第三舵机305、舵盘314和轴承315进行连接；所述第三机械臂310和第二机械臂309通过舵盘314、轴承315和连杆312连接；所述第四舵机306通过第二支架313与第三机械臂310固定连接；所述第二支架313与所述机械爪311连接，所述机械爪311和第五舵机307连接。所述openmv摄像头301上仰30°，并固定在所述第二底座302上，用于识别要抓取的目标，并获取它的三维坐标位置发送给机械臂，由机械臂对目标进行抓取和放置。所述第一舵机303用于控制第一机械臂308在水平方向的旋转角度，所述第一机械臂308的旋转范围为0~270°；所述第二舵机304和第三舵机305用于控制第二机械臂309在竖直方向的旋转角度，所述第二机械臂309的旋转范围为0~180°；所述舵盘314用于控制第三机械臂310在竖直方向的旋转角度，所述第三机械臂310的旋转范围为0~270°；所述第四舵机306用于控制机械爪311在竖直方向的转动角度，所述机械爪311的旋转范围为0~270°；所述第五舵机307用于控制机械爪311的张合距离，机械爪311张合距离为0~11cm，可实现多角度的转动，提高机械臂的灵活性，机械爪的张合距离可匹配各种厚度的书本，满足用户的使用需求。

根据实际的应用需求，所述多格收纳箱4内横挡板404的数量为1~9块，竖挡板405的数量为1~2块。在本发明实施例中，所述横挡板404的数量为8块，所述竖挡板405的数量为1块，将所述箱体401内部分隔为18个收纳格。标签扫描传感器402设置在箱体401的侧壁上，用于扫描放进多格收纳箱4内的图书标签，从而获取书架号，书架层号和书本编号信息。接触感应模块403用于感应图书放入多格收纳箱4内的格子编号信息。带微控制单元的下位机102通过读取图书信息和编号信息，控制抓取装置3将多格收纳箱4内的图书归还至书架上。

所述供电单元6包括锂电池和稳压模块，所述锂电池与所述稳压模块电路连接。锂电池经稳压电路模块稳压后为本发明实施例各部件提供电能，提高的供电稳定性。所述移动底盘1的后挡板上设置有移动电源充电插口111，可使用外部电源对锂电池进行充电。

本发明实施例使用视觉SLAM和激光SLAM的融合建图来提高地图融合效率，提升电子地图的构建精度、观测区域、鲁棒性和容错性；采用卡尔曼滤波算法将IMU模块106采集的惯性数据和旋转编码器采集的轮速数据进行数据融合得到机器人的位姿信息，提高了机器人位姿估算的准确度；分别采用A*算法和DWA算法实现全局路径规划和本地路径规划，并用蒙特卡罗定位算法进行位置校正，使得机器人的定位更加准确，从而实现精准导航。本发明实施例设置了移动底盘1、升降平台2、抓取装置3和多格收纳箱4等多个部件，各个部件分工明确，不仅可实现对书架上不同高度书架层上目标的抓取作业，同时使用openmv摄像头301进行坐标定位，使抓取作业准确度更高，速度更快；多格收纳箱4的多格设计使得一次作业能同时放置和取下多本图书，同时标签扫描传感器402使得图书的信息采集更加方便快捷，大大提高作业效率。读者能通过出触摸屏5上的界面轻松浏览查阅和选择想要的图书，本发明实施例可进行自动导航行驶、抓取目标并返回出发点交给读者，节省了读者寻书所需的时间和体力，提高了读者的阅读体验；在流行性疾病发生的期间，有效减少在公共场所人与人之间的接触，降低流行性疾病感染的可能性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于ROS的图书馆自动取放图书机器人，其特征在于，包括移动底盘、升降平台、抓取装置、多格收纳箱、触摸屏和供电单元；所述升降平台、多格收纳箱、触摸屏和供电单元均设置在所述移动底盘上，所述抓取装置设置在所述升降平台上；所述供电单元分别与所述移动底盘、升降平台、抓取装置、多格收纳箱和触摸屏电路连接；

所述移动底盘上设置有带ROS系统的上位机、带微控制单元的下位机、激光雷达、深度摄像头、激光测距传感器、IMU模块、WIFI无线模块、运动驱动模块、移动机构和第一支架；所述带ROS系统的上位机和所述带微控制单元的下位机通过串行接口进行连接和数据通信，所述带ROS系统的上位机还和所述触摸屏连接；所述激光雷达和深度摄像头与所述带ROS系统的上位机连接；所述激光测距传感器、IMU模块、WIFI无线模块、运动驱动模块、抓取装置和多格收纳箱均与所述带微控制单元的下位机电路连接；所述深度摄像头设置在所述移动底盘的前挡板上，所述激光测距传感器设置在所述移动底盘的左右两侧挡板上，所述激光雷达和第一支架设置在所述移动底盘顶部，所述运动驱动模块和移动机构设置在所述移动底盘底部，所述运动驱动模块与所述移动机构连接；

所述运动驱动模块包括电机驱动模块、旋转编码器模块和直流减速电机；所述电机驱动模块和旋转编码器均与所述带微控制单元的下位机电路连接，所述直流减速电机与所述电机驱动模块和旋转编码器模块电路连接；

所述多格收纳箱包括箱体、标签扫描传感器和接触感应模块；所述箱体内设置有横挡板和竖挡板，将箱体内分隔为若干个收纳格；所述接触感应模块设置在所述收纳格内；所述标签扫描传感器设置在所述箱体内侧面，所述标签扫描传感器和接触感应模块均与所述带微控制单元的下位机电路连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于ROS的图书馆自动取放图书机器人，其特征在于，所述带ROS系统的上位机包括地图创建模块、目标定位模块、全局路径规划模块、本地路径规划模块和人机交互模块；所述地图创建模块与所述激光雷达和深度摄像头数据连接，并根据所述激光雷达和深度摄像头的反馈数据创建全局电子地图和局部电子地图；所述目标定位模块和全局路径规划模块均与所述地图创建模块数据连接；所述本地路径规划模块与所述IMU模块和运动驱动模块连接，并根据IMU模块和运动驱动模块所反馈数据确定机器人所在地图的位置和里程信息，实时规划最佳行驶路线；所述人机交互模块与所述触摸屏连接，用于实现人机交互。

3.根据权利要求1所述的一种基于ROS的图书馆自动取放图书机器人，其特征在于，所述升降平台包括第一底座、承重台、升降臂、平轴、堵板、调节轴、调节电机和连接轴；所述第一底座和承重台之间设置有偶数对升降臂，同一水平面对应的两对升降臂通过所述平轴连接，所述升降臂包括第一升降架和所述第二升降架，所述第一升降架和所述第二升降架交叉旋转连接为一对升降臂；同侧相邻两升降臂的第一升降架和所述第二升降架通过所述连接轴连接；同一水平面对应的两对升降臂的第一升降架和所述第二升降架通过所述堵板进行固定连接；所述调节电机与所述调节轴连接，所述调节轴与所述连接轴连接；所述调节电机与带微控制单元的下位机电路连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于ROS的图书馆自动取放图书机器人，其特征在于，所述升降臂的对数为2对、4对、6对、8对或10对。

5.根据权利要求1所述的一种基于ROS的图书馆自动取放图书机器人，其特征在于，所述抓取装置包括openmv摄像头和机械臂；所述机械臂包括第二底座、第一舵机、第二舵机、第三舵机、第四舵机、第五舵机、第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂、机械爪、连杆、第二支架、舵盘和轴承；所述openmv摄像头设置在所述第二底座上；所述第二底座上 设置有第一舵机；所述第一机械臂与第二底座连接；所述第二机械臂与第一机械臂通过第二舵机、第三舵机、舵盘和轴承进行连接；所述第三机械臂和第二机械臂通过舵盘、轴承和连杆连接；所述第四舵机通过第二支架与第三机械臂固定连接；所述第二支架与所述机械爪连接，所述机械爪与第五舵机连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于ROS的图书馆自动取放图书机器人，其特征在于，所述第一机械臂在水平范围内旋转，旋转角度为0~270°；所述第二机械臂在竖直范围内旋转，旋转角度为0~180°；所述第三机械臂在竖直范围内旋转，旋转角度为0~270°；机械爪在竖直范围内旋转，旋转角度为0~270°，张合距离为0~11cm。

7.根据权利要求1所述的一种基于ROS的图书馆自动取放图书机器人，其特征在于，所述横挡板的数量为1~9块，所述竖挡板的数量为1~2块。

8.根据权利要求1所述的一种基于ROS的图书馆自动取放图书机器人，其特征在于，所述供电单元包括锂电池和稳压模块，所述锂电池与所述稳压模块电路连接。

9.根据权利要求1所述的一种基于ROS的图书馆自动取放图书机器人，其特征在于，所述移动机构为驱动轮，所述驱动轮与所述直流减速电机连接，所述驱动轮外径为15cm，轮宽为2.4cm，胎面为优质PU橡胶。

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