余旭+++吳昌林（等）

摘 要：城市街區(qū)自助圖書館系統(tǒng)是在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上興起的文化建設(shè)項(xiàng)目，是一種新型的圖書館發(fā)展模式。自助圖書館機(jī)械手作為圖書傳輸?shù)膱?zhí)行部件，具有借書傳輸、還書傳輸、自動分揀的功能，是自助服務(wù)效率和安全傳輸?shù)年P(guān)鍵。本文介紹了自助圖書館圖書的傳輸方式，機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)工作原理以及機(jī)械手詳細(xì)結(jié)構(gòu)。機(jī)械手運(yùn)行穩(wěn)定，很大程度上提高了圖書傳輸?shù)陌踩院妥灾?wù)的效率。

關(guān)鍵詞：自助圖書館；機(jī)械手；機(jī)械結(jié)構(gòu)

引言

城市街區(qū)自助圖書館系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在圖書館領(lǐng)域的拓展，是集數(shù)字化、人性化和智能化為一體的新型圖書館發(fā)展模式，是現(xiàn)有公眾圖書館服務(wù)的延伸，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)圖書館與數(shù)字圖書館的完美結(jié)合和質(zhì)的飛躍[1]。自助圖書館系統(tǒng)由自助圖書館服務(wù)機(jī)、物流管理系統(tǒng)、中心服務(wù)系統(tǒng)、圖書館監(jiān)控系統(tǒng)、資源管理系統(tǒng)等部分構(gòu)成，其中自助圖書館服務(wù)機(jī)是自助圖書館系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)，也是其核心組成部分[2]。

射頻識別技術(shù)（RFID）作為自動識別技術(shù)的一大分支，是自助圖書館系統(tǒng)的核心技術(shù)，它通過無線射頻方式獲得圖書的相關(guān)數(shù)據(jù)，并對圖書加以識別，且無需與圖書直接接觸即可完成信息的輸入與處理，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地采集和處理信息[3]。正是由于RFID的應(yīng)用使得自助圖書館系統(tǒng)成為一種典型的人機(jī)交互系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自助辦證、自助借書、自助還書、自助預(yù)約、自助查詢等服務(wù)功能的融合[4]。

取書機(jī)械手系統(tǒng)作為自助服務(wù)的執(zhí)行子系統(tǒng)，具有借書傳輸、還書傳輸、自動分揀的功能，是服務(wù)效率和圖書安全傳輸?shù)年P(guān)鍵因素。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及其系統(tǒng)控制策略對提高服務(wù)效率和傳輸安全系數(shù)起著至關(guān)重要的作用。機(jī)械手定位速度、精度以及傳輸安全性是機(jī)械手控制的三大性能指標(biāo)[5]。因此，對取書機(jī)械手結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究具有重要的意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 城市街區(qū)自助圖書館介紹

1.1 城市街區(qū)自助圖書館系統(tǒng)構(gòu)架

城市街區(qū)自助圖書館由自助圖書館服務(wù)機(jī)系統(tǒng)、物流管理系統(tǒng)、中心服務(wù)系統(tǒng)以及圖書館監(jiān)控管理系統(tǒng)等部分構(gòu)成[6]，其核心部分為自助圖書館服務(wù)機(jī)系統(tǒng)。

自助圖書館服務(wù)機(jī)系統(tǒng)主要包括客戶服務(wù)操作終端、瀏覽書架、圖書館網(wǎng)絡(luò)終端、圖書信息瀏覽面板、輔助部件等，其中客戶服務(wù)操作終端是其核心部分。在自助服務(wù)機(jī)系統(tǒng)上，幾乎具備了圖書館全部的子服務(wù)功能[7]，其主要內(nèi)容包括自助借書、自助還書、卡證服務(wù)、預(yù)約服務(wù)和查詢服務(wù)等。

1.2 城市街區(qū)自助圖書館服務(wù)機(jī)系統(tǒng)

自助圖書館服務(wù)機(jī)系統(tǒng)主要由客戶服務(wù)操作終端、瀏覽書架、圖書館網(wǎng)絡(luò)終端、圖書信息瀏覽面板、輔助部件等組成?？蛻舴?wù)操作終端是自助圖書館服務(wù)機(jī)系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)自助借還書功能的實(shí)現(xiàn)，其功能通過取書機(jī)械手的空間運(yùn)動實(shí)現(xiàn)。

如圖1所示，自助圖書館左邊區(qū)域?yàn)椴僮骺刂茀^(qū)，讀者可在該區(qū)域內(nèi)完成借書、還書、查詢等操作；右邊區(qū)域?yàn)閳D書陳列區(qū)，圖書分層擺放在書架上。在借書過程中，機(jī)械手需要將圖書從指定書架上取出并運(yùn)送到出書口。在還書過程中，機(jī)械手需要將圖書從還書口拾取并運(yùn)送到指定書架上。

圖1 城市街區(qū)自助圖書館正面

2 取書機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)工作原理

自助圖書館服務(wù)機(jī)在傳統(tǒng)圖書館書架的基礎(chǔ)上添加E字形隔書板，使圖書兩兩隔開，方便U形結(jié)構(gòu)機(jī)械手末端夾持裝置能夠快速準(zhǔn)確地插入E形隔書板卡槽內(nèi)抓取指定圖書。機(jī)械手末端夾持裝置是機(jī)械手的末端執(zhí)行器，末端執(zhí)行器在三維空間的運(yùn)動使得圖書傳送功能得以實(shí)現(xiàn)。

圖2所示為機(jī)械手的三維空間運(yùn)動，其中 XZ平面為自助圖書館上導(dǎo)軌平面；X軸表示書架的長度方向；Y軸表示書架寬度方向；Z軸表示書架高度方向；W軸為機(jī)械手末端執(zhí)行器的夾持運(yùn)動方向，該方向與X軸平行，夾持裝置在W軸向的運(yùn)動提供圖書夾緊力。機(jī)械手具有4個(gè)移動關(guān)節(jié)，X軸、Y軸和Z軸方向的移動實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的空間定位；W軸方向的運(yùn)動提供圖書夾緊力，是圖書安全輸送的關(guān)鍵。

3 機(jī)械手結(jié)構(gòu)

在取送書過程中，機(jī)械手需要能夾緊松開圖書，并且適應(yīng)不同厚度的圖書。具體到設(shè)計(jì)上，機(jī)械手要驅(qū)動左右兩個(gè)手爪移動以夾緊或松開圖書，并能夠識別或者自適應(yīng)書本的厚度。

本次設(shè)計(jì)采用恒壓力夾緊控制方式以自適應(yīng)書本厚度。在手爪夾緊圖書的過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測手爪的夾緊力，當(dāng)夾緊力達(dá)到預(yù)設(shè)定值，手爪即停止運(yùn)動。最大夾緊力的設(shè)定以能夠牢固夾持自助圖書館中最重的圖書為依據(jù)。設(shè)計(jì)采用閉環(huán)控制，具有較快相應(yīng)速度。該結(jié)構(gòu)能牢固夾持圖書，不僅能有效防止由于夾緊壓力值過小造成的的書本脫落，也能防止由于夾緊壓力值過大造成的書本損壞。

3.1 機(jī)械手爪設(shè)計(jì)

機(jī)械手在定位到要抓取的圖書位置之后，在抓取圖書過程中要保證能牢固抓取指定圖書，同時(shí)不影響左右兩側(cè)的圖書，為此設(shè)計(jì)E字形隔書板與不對稱U字形機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)，如圖3圖4所示。一個(gè)機(jī)械手有左右兩個(gè)手爪，夾持部分是對稱的。隔書板與機(jī)械手爪形狀上互補(bǔ)，機(jī)械手爪在抓取圖書過程中，先插入隔書板中，然后兩手爪相向運(yùn)動，抓緊圖書。隔書板的厚度為6mm，大于手爪的5mm，因此在機(jī)械手定位準(zhǔn)確的前提下，手爪能插入相鄰兩圖書的空隙，并且不損壞左右兩邊的書。機(jī)械手爪前端窄后端寬，類似刀刃，在機(jī)械手爪插入隔書板的過程中允許的定位誤差更大，這種設(shè)計(jì)提高了機(jī)械手定位的容錯(cuò)度。

圖3 隔書板結(jié)構(gòu) 圖4 機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)

如圖4所示，機(jī)械手爪上面長，下面短，上面有兩個(gè)橡皮觸點(diǎn)，下面有一個(gè)，這是基于三點(diǎn)確定一個(gè)平面的原理而設(shè)計(jì)的。左右機(jī)械手爪各三個(gè)橡皮觸點(diǎn)，橡皮與絕大部分圖書的封面之間的摩擦系數(shù)較大，能在較小夾緊力下牢固夾緊圖書。相比之下，機(jī)械手爪上下對稱但無橡皮觸點(diǎn)的結(jié)構(gòu)由于金屬與封面的摩擦系數(shù)較小，導(dǎo)致手爪平面與書籍封面不能很好貼合，運(yùn)行效果很不理想。

3.2 機(jī)械手壓力檢測機(jī)構(gòu)

機(jī)械手采用單個(gè)應(yīng)變式壓力傳感器檢測壓力，如圖5所示。該壓力傳感器需要一端固定另一端受力的形式才能準(zhǔn)確檢測壓力，為了檢測手爪的夾緊力，需要一種結(jié)構(gòu)將傳感器與手爪聯(lián)系起來，使書對手爪的反作用力間接作用在傳感器上。如圖6所示，左邊手爪直接固定在滑塊上，右邊手爪與滑塊之間有個(gè)轉(zhuǎn)軸，手爪能繞軸轉(zhuǎn)動，手爪底部與傳感器檢測端相貼，書給手爪作用力的同時(shí)，手爪底部也給傳感器一個(gè)作用力。壓力傳感器固定端和懸臂端（受力端）各有一塊墊片，兩塊墊片使傳感器形成圖5所示的懸臂測力結(jié)構(gòu)。通過該機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)傳感器對夾緊力的測量。

圖5 壓力傳感器

圖6 壓力傳感器測力結(jié)構(gòu)

3.3 機(jī)械手驅(qū)動結(jié)構(gòu)

機(jī)械手在夾緊松開圖書過程中，左右兩個(gè)手爪需要同步相向運(yùn)動，該運(yùn)動可以通過凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。如圖7所示，凸輪有兩道槽，成中心對稱，兩道槽中各有一個(gè)圓柱銷，圓柱銷上端與滑塊緊固，滑塊在導(dǎo)軌上只能做直線運(yùn)動，因此圓柱銷也只能做直線運(yùn)動。為了保證凸輪轉(zhuǎn)動和圓柱銷的直線運(yùn)動成線性關(guān)系，凸輪的曲線采用阿基米德螺旋線，其方程如下：

r=20+■ （1）

凸輪曲線如圖8所示，當(dāng)凸輪勻速轉(zhuǎn)動時(shí)，圓柱銷會沿著圓的徑向方向做勻速直線運(yùn)動，凸輪每轉(zhuǎn)動1°，圓柱銷運(yùn)動0.1mm。在圖7中，凸輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動，兩圓柱銷距離增大，機(jī)械手張開。凸輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，兩圓柱銷距離減小，機(jī)械手夾緊。

（a）夾板完全合攏 （b）夾板張開 （c）夾板完全張開

圖7 凸輪傳動機(jī)構(gòu)

3.4 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)

機(jī)械手總體裝配圖如圖9所示，驅(qū)動電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)經(jīng)減速器后帶動凸輪轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的張開和閉合。22為塑料導(dǎo)軌，以提高耐磨性。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)自助圖書館圖書地?cái)[放方式，分析了機(jī)器手取書流程，設(shè)計(jì)了隔書板和取書手爪結(jié)構(gòu)，確定了機(jī)械取書的基本模式。根據(jù)取書的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于恒壓力夾緊取書原理的抓書結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步詳細(xì)設(shè)計(jì)了機(jī)械手驅(qū)動結(jié)構(gòu)及機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)。本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手結(jié)構(gòu)在產(chǎn)品中得到了良好運(yùn)用，產(chǎn)品運(yùn)行穩(wěn)定，自助服務(wù)效率得到了提高，本文的研究具有較大的實(shí)用價(jià)值和理論意義。

參考文獻(xiàn)

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[7]Fouad F， Khalil， Pierre Payeur. Robotic interaction with deformable objects under vision and tactile guidance-a review[J]. ROSE2007-IEEE International Workshop on Robotic and Sensors Environments， 2007， 1-6.

作者簡介：余旭（1989-），男，湖北武漢人，華中科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

吳昌林（1951-），男，湖北武漢人，華中科技大學(xué)教授，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化設(shè)備及曲面數(shù)控拋光技術(shù)。

王玉金（1986-），男，四川宜賓人，華中科技大學(xué)博士研究生，主要研究方向足式機(jī)器人、機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)。

周占明（1989-），男，河南駐馬店人，華中科技大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

機(jī)械手采用單個(gè)應(yīng)變式壓力傳感器檢測壓力，如圖5所示。該壓力傳感器需要一端固定另一端受力的形式才能準(zhǔn)確檢測壓力，為了檢測手爪的夾緊力，需要一種結(jié)構(gòu)將傳感器與手爪聯(lián)系起來，使書對手爪的反作用力間接作用在傳感器上。如圖6所示，左邊手爪直接固定在滑塊上，右邊手爪與滑塊之間有個(gè)轉(zhuǎn)軸，手爪能繞軸轉(zhuǎn)動，手爪底部與傳感器檢測端相貼，書給手爪作用力的同時(shí)，手爪底部也給傳感器一個(gè)作用力。壓力傳感器固定端和懸臂端（受力端）各有一塊墊片，兩塊墊片使傳感器形成圖5所示的懸臂測力結(jié)構(gòu)。通過該機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)傳感器對夾緊力的測量。

圖5 壓力傳感器

圖6 壓力傳感器測力結(jié)構(gòu)

3.3 機(jī)械手驅(qū)動結(jié)構(gòu)

機(jī)械手在夾緊松開圖書過程中，左右兩個(gè)手爪需要同步相向運(yùn)動，該運(yùn)動可以通過凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。如圖7所示，凸輪有兩道槽，成中心對稱，兩道槽中各有一個(gè)圓柱銷，圓柱銷上端與滑塊緊固，滑塊在導(dǎo)軌上只能做直線運(yùn)動，因此圓柱銷也只能做直線運(yùn)動。為了保證凸輪轉(zhuǎn)動和圓柱銷的直線運(yùn)動成線性關(guān)系，凸輪的曲線采用阿基米德螺旋線，其方程如下：

r=20+■ （1）

凸輪曲線如圖8所示，當(dāng)凸輪勻速轉(zhuǎn)動時(shí)，圓柱銷會沿著圓的徑向方向做勻速直線運(yùn)動，凸輪每轉(zhuǎn)動1°，圓柱銷運(yùn)動0.1mm。在圖7中，凸輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動，兩圓柱銷距離增大，機(jī)械手張開。凸輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，兩圓柱銷距離減小，機(jī)械手夾緊。

（a）夾板完全合攏 （b）夾板張開 （c）夾板完全張開

圖7 凸輪傳動機(jī)構(gòu)

3.4 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)

機(jī)械手總體裝配圖如圖9所示，驅(qū)動電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)經(jīng)減速器后帶動凸輪轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的張開和閉合。22為塑料導(dǎo)軌，以提高耐磨性。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)自助圖書館圖書地?cái)[放方式，分析了機(jī)器手取書流程，設(shè)計(jì)了隔書板和取書手爪結(jié)構(gòu)，確定了機(jī)械取書的基本模式。根據(jù)取書的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于恒壓力夾緊取書原理的抓書結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步詳細(xì)設(shè)計(jì)了機(jī)械手驅(qū)動結(jié)構(gòu)及機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)。本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手結(jié)構(gòu)在產(chǎn)品中得到了良好運(yùn)用，產(chǎn)品運(yùn)行穩(wěn)定，自助服務(wù)效率得到了提高，本文的研究具有較大的實(shí)用價(jià)值和理論意義。

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[7]Fouad F， Khalil， Pierre Payeur. Robotic interaction with deformable objects under vision and tactile guidance-a review[J]. ROSE2007-IEEE International Workshop on Robotic and Sensors Environments， 2007， 1-6.

作者簡介：余旭（1989-），男，湖北武漢人，華中科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

吳昌林（1951-），男，湖北武漢人，華中科技大學(xué)教授，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化設(shè)備及曲面數(shù)控拋光技術(shù)。

王玉金（1986-），男，四川宜賓人，華中科技大學(xué)博士研究生，主要研究方向足式機(jī)器人、機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)。

周占明（1989-），男，河南駐馬店人，華中科技大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

機(jī)械手采用單個(gè)應(yīng)變式壓力傳感器檢測壓力，如圖5所示。該壓力傳感器需要一端固定另一端受力的形式才能準(zhǔn)確檢測壓力，為了檢測手爪的夾緊力，需要一種結(jié)構(gòu)將傳感器與手爪聯(lián)系起來，使書對手爪的反作用力間接作用在傳感器上。如圖6所示，左邊手爪直接固定在滑塊上，右邊手爪與滑塊之間有個(gè)轉(zhuǎn)軸，手爪能繞軸轉(zhuǎn)動，手爪底部與傳感器檢測端相貼，書給手爪作用力的同時(shí)，手爪底部也給傳感器一個(gè)作用力。壓力傳感器固定端和懸臂端（受力端）各有一塊墊片，兩塊墊片使傳感器形成圖5所示的懸臂測力結(jié)構(gòu)。通過該機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)傳感器對夾緊力的測量。

圖5 壓力傳感器

圖6 壓力傳感器測力結(jié)構(gòu)

3.3 機(jī)械手驅(qū)動結(jié)構(gòu)

機(jī)械手在夾緊松開圖書過程中，左右兩個(gè)手爪需要同步相向運(yùn)動，該運(yùn)動可以通過凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。如圖7所示，凸輪有兩道槽，成中心對稱，兩道槽中各有一個(gè)圓柱銷，圓柱銷上端與滑塊緊固，滑塊在導(dǎo)軌上只能做直線運(yùn)動，因此圓柱銷也只能做直線運(yùn)動。為了保證凸輪轉(zhuǎn)動和圓柱銷的直線運(yùn)動成線性關(guān)系，凸輪的曲線采用阿基米德螺旋線，其方程如下：

r=20+■ （1）

凸輪曲線如圖8所示，當(dāng)凸輪勻速轉(zhuǎn)動時(shí)，圓柱銷會沿著圓的徑向方向做勻速直線運(yùn)動，凸輪每轉(zhuǎn)動1°，圓柱銷運(yùn)動0.1mm。在圖7中，凸輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動，兩圓柱銷距離增大，機(jī)械手張開。凸輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，兩圓柱銷距離減小，機(jī)械手夾緊。

（a）夾板完全合攏 （b）夾板張開 （c）夾板完全張開

圖7 凸輪傳動機(jī)構(gòu)

3.4 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)

機(jī)械手總體裝配圖如圖9所示，驅(qū)動電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)經(jīng)減速器后帶動凸輪轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的張開和閉合。22為塑料導(dǎo)軌，以提高耐磨性。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)自助圖書館圖書地?cái)[放方式，分析了機(jī)器手取書流程，設(shè)計(jì)了隔書板和取書手爪結(jié)構(gòu)，確定了機(jī)械取書的基本模式。根據(jù)取書的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于恒壓力夾緊取書原理的抓書結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步詳細(xì)設(shè)計(jì)了機(jī)械手驅(qū)動結(jié)構(gòu)及機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)。本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手結(jié)構(gòu)在產(chǎn)品中得到了良好運(yùn)用，產(chǎn)品運(yùn)行穩(wěn)定，自助服務(wù)效率得到了提高，本文的研究具有較大的實(shí)用價(jià)值和理論意義。

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[7]Fouad F， Khalil， Pierre Payeur. Robotic interaction with deformable objects under vision and tactile guidance-a review[J]. ROSE2007-IEEE International Workshop on Robotic and Sensors Environments， 2007， 1-6.

作者簡介：余旭（1989-），男，湖北武漢人，華中科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

吳昌林（1951-），男，湖北武漢人，華中科技大學(xué)教授，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化設(shè)備及曲面數(shù)控拋光技術(shù)。

王玉金（1986-），男，四川宜賓人，華中科技大學(xué)博士研究生，主要研究方向足式機(jī)器人、機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)。

周占明（1989-），男，河南駐馬店人，華中科技大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。