北京聯(lián)合大學(xué) 楊偉堃 楊志成 陳惠榮

編碼器在圖書館機(jī)器人行走裝置中的應(yīng)用

北京聯(lián)合大學(xué) 楊偉堃 楊志成 陳惠榮

圖書館機(jī)器人設(shè)計(jì)成功為圖書借閱自動(dòng)化打下了良好的基礎(chǔ)，編碼器在轉(zhuǎn)速、角度控制中有著非常重要的地位，通過對(duì)圖書館機(jī)器人的現(xiàn)狀分析、認(rèn)為機(jī)器人的站姿對(duì)圖書上下架有很大的影響。編碼器將在圖書館機(jī)器人行走裝置中發(fā)揮作用，本文在控制方案、編碼器模塊、驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行了論述。

編碼器；計(jì)數(shù)器；圖書館機(jī)器人；角度控制

1.引言

圖書館做為公共資源在世界廣泛認(rèn)可，圖書館自動(dòng)化程度的高低也是考量一個(gè)單位社會(huì)文明程度的尺碼。我國(guó)對(duì)高等教育事業(yè)的重視，圖書館得到蓬勃發(fā)展，但是大量的人工操作，與現(xiàn)代高速發(fā)展的科技不相匹配，特別是需要保密的資料室。

隨著我國(guó)改革的深入與發(fā)展，特別是城市化程度的提高，生活文明化、圖書重復(fù)利用化增大，圖書位置與圖書館機(jī)器人姿態(tài)的研究，為圖書館機(jī)器人實(shí)用的普及應(yīng)用有著現(xiàn)實(shí)意義。設(shè)計(jì)的圖書館機(jī)器人以上位機(jī)結(jié)合PLC控制器為控制核心。以采集光電編碼器反饋機(jī)器人關(guān)節(jié)位置，結(jié)合控制伺服電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、氣缸作直線運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖書上下架的控制功能。

圖1 六連桿四輪驅(qū)動(dòng)底盤

圖2 控制系統(tǒng)總體

圖3 譯碼、編碼電路

2.圖書館機(jī)器人現(xiàn)狀與分析

現(xiàn)開發(fā)圖書館機(jī)器人多是廂儲(chǔ)式機(jī)器人，容量小，存儲(chǔ)空間固定，存貨位置占用設(shè)備資源大，自動(dòng)化水平較高，不是嚴(yán)格意義上的機(jī)器人，例如，首都圖書館北門的自動(dòng)圖書館，香港科技大學(xué)的自動(dòng)圖書館。

3.圖書館機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖書館機(jī)器人采用六連桿四輪驅(qū)動(dòng)底盤設(shè)計(jì)如圖1所示，可以360度原地轉(zhuǎn)身，轉(zhuǎn)身半徑為軀體二分之一；圖書館機(jī)器人采用六連桿四輪驅(qū)動(dòng)底盤設(shè)計(jì)為可異構(gòu)體，理論上可以360度方向前進(jìn)，倒退，方便調(diào)整自身姿態(tài)，方便機(jī)器手存取圖書。

3.1 控制系統(tǒng)總體方案

圖4 編碼器測(cè)量加速度流程圖

圖書館機(jī)器人的控制系統(tǒng)總體框圖如圖2所示．控制系統(tǒng)由控制器、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和各種傳感器模塊等幾個(gè)模塊組成．機(jī)器人自帶能源為控制器和電機(jī)供電，各種傳感器模塊包括對(duì)外界觀察的攝像頭、判別形狀位置的編碼器、判別路況和自身角度的傳感器陀螺儀、加速度傳感器等?？刂破鞲鶕?jù)傳感器輸入的信號(hào)內(nèi)容控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，進(jìn)而控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人采用四電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制器由一個(gè)低功耗的單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)．下面分別介紹控制系統(tǒng)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)。

3.2 光電編碼器模塊

光電編碼器模塊由發(fā)射、接收和編碼、譯碼兩個(gè)部分組成。發(fā)射部分包括對(duì)射管、碼盤、光電轉(zhuǎn)換放大器、解調(diào)、解碼電路組成；編碼、譯碼包括三個(gè)74ls193電路，一個(gè)D觸發(fā)器電路和與門電路。電路如圖3所示，專門用來檢測(cè)兩個(gè)角度電機(jī)的正反轉(zhuǎn)角度的電路。

4.軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)可以用C語言編寫程序；控制程序主要由初始化模塊和功能模塊組成；流程圖如圖4所示。初始化模塊主要包括中斷、定時(shí)、端口設(shè)置等功能。功能模塊可以增加相應(yīng)功能，圖4主要是測(cè)量圖書館行走裝置行走控制流程圖。

5.結(jié)果

本文設(shè)計(jì)有如下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、部件銜接緊湊，便于安裝，質(zhì)量可靠。通過實(shí)驗(yàn)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)，具有控制速度快、控制準(zhǔn)確，控制精度在兩度以內(nèi)，性能達(dá)到預(yù)定設(shè)計(jì)要求。

楊偉堃，男，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于北京聯(lián)合大學(xué)，參與多項(xiàng)市級(jí)學(xué)生項(xiàng)目并多次獲獎(jiǎng)，研究方向：機(jī)械電子控制。

楊志成，男，工程碩士，北京聯(lián)合大學(xué)高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，高級(jí)考評(píng)員，儀表維修技師，研究方向：機(jī)械電子控制。