小型自助图书馆自动取书装置设计(2)

干排可独立移动的机械柜组成，每个机械柜配有独立的图书自动传送机构，可单独实现图书自动存取操作。读者借阅阁书类似于从银行 ATM机上取钞票已样。归还图书时，读者只需要将阁书放入还书口即可。2007年12月，我国广东省东莞市推出了国内首台图书馆ATM，如图1-1所示。该设备可容纳图书500册，兼容条形码和RFID (Radio Frequency Identification，无线射频识别)技术，并结合智能机械手技术实现图书的自动外借、归还，降低了图书物流等运行成本。这种自助图书馆打破了传统图书馆的概念，为市民提供24小时图书自助借还服务，市民不必花很长时间到图书馆去借还书，而是到离家较近的服务终端就可以借还书籍，极大的提高了市民对阅读的兴趣。截至2010年底，北京、上海、广州、深圳、郑州、鄂尔多斯等省市相继推出了这种迷你型自助图书馆。

图1-1 深圳图书馆ATM

1.2.2 自动仓储式图书馆

自动仓储式图书馆是一种大型的图书自动化存取装置。这种名为ARC(Automated Retrieval Center)设备首先在美国犹他州J.Willard Marriott图书馆投入使用，如图1-2所示。该图书馆藏书200万册，藏书库被设计成大型自动化立体化仓库，由码垛机和机器人配合完成图书的自动存取。当图书馆员或读者发出取书指令后，码垛机从立体仓库中取出图书，由移动机器人将图书送到借书口，还书过程与収书过程相反。自动仓储式图书馆系统的工作效率和自动化程度高，但系统造价高，仅机器人系统就高达1200万美元，一般图书馆没有财力购买。但J.Willard Marriott图书馆的管理层认为，应用ARC系统能够节省巨大的图书管理成本。同时，ARC系统还存在一旦自动化系统发生故障，则整个书库无法运行的缺点，美国芝加哥大学图书馆、内华达大学图书馆、加拿大的不列颠哥伦比亚大学图书馆等高校图书馆也在使用这种图书自动存取装置。由于造价过高

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和其他原凶，我国还没有图书馆使用这种设备。

图1-2 犹他州自动仓储式图书馆

1.2.3 移动式图书馆机器人

自助图书馆相对于传统图书馆来说是一种全新设计，比较适合安置在社区或街头的小型阁书室。而自动仓储式图书馆不仅造价卨，而且还要对图书馆的普通书柜进行全面改造，推广应用的可能性极低。因此，对于传统图书馆而言，在不改变图书馆书架的前提下，利用智能移动机器人搬运、自动上下架图书是一种切实可行的应用方案。按照功能分类，移动式图书馆机器人可分为两种基本类型:一种是只负责将图书搬运到指定地点的搬运机器人；另一种是不仅可以将图书搬运到指定地点，还自动进行图书自动上下架操作的图书自动存取机器人。

(1)图书搬运机器人

从目前的研究和报道来看，图书馆图书搬运机器人已经在德国洪堡大学图书馆和日本大阪市立大学图书馆投入使用。德国洪堡大学图书使用的图书搬运机器人，如图1-3所示。机器人由设在其上部的导轨导引，可在总服务台与子服务区之间自动传送需要上架和分检的书刊。并可自动乘坐电梯，往返于一楼和二楼之间。整个机器人系统耗资约38万欧元，相当于7个图书馆员的年薪。日本大阪市立大学图书馆的搬运机器人，如图1-4所示，可以根据指令将图书送到指定的地方。读者阅读后将书籍放在指定的小车上，搬运机器人自动行驶到小车旁边，通过托盘将小车托起并搬运到指定地点。图书搬运机器人是依靠埋设在图书馆地面上的电磁导引线进行自主导航的。以上两种图书馆图书搬运机器人只能将图书按照图书分类搬运到指定位置，并不能完成图书的自动上下架操作，图书的整理和上下架操作仍然需要人工来完成。

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(2)图书自动存取机器人

图1-3 德国洪堡大学图书馆机器人 图1-4 日本大阪市立大学图书馆机器人

图书自动存収机器人目前正处在实验室研究阶段，其智能化和自动化程度高，虽然没有商业应用的案例，但它代表了未来图书馆机器人的发展方向。

美国约翰.霍普金斯大学(Johns Hopkins University)的研究人员研制的一种完整意义上的图书馆图书自动存取机器人实验装置，即CAPM(ComprehensiveAccess to Printed Materials，存取不同类型印刷品)图书自动存取装置，如图1-5所示。该装置由移动装置、升降装置、机械手和视觉系统等部分组成，可实现机器人的自主导航、图书抓取与存储、图书浏览等。CAPM图书〔自动存取机器人的移动路径是依靠存储在机器人控制器中的电子地图来实现的。当控制系统发出存取图书的指令后，机器人将按照预定好的路线移动，并实现图书的自动存取。但是，为了实现图书的自动存取，还需要对书架进行适应性设计，每本图书在书架上的排列要求松散且有类似文件夹的装置使其保持直立。

在CAPM图书自动存取机器人的基础上，新加坡国立大学的Kho Hao Yuan等人研究了基于RFID定位技术的智能图书存取机器人系统。该智能图书存取机器人系统是由机器人、放置图书的托盘和书架组成。与传统样式的书架不同，新型设计的书架是由若千个装有托盘的储物柜组成，图书横置在固定规格的托盘上，然后由机器人送到书架某个指定位置上。研究人员通过改造传统的图书放置方式简化了机器人机械手的结构设计，末端执行器无需做复杂的抓取动作就能完成图书的下架操作。但由于需要对书架进行改造，这种图书馆机器人设计思路很难保证得到大范围的推广。

西班牙卡斯捷罗大学的Ramos-Garijo R，Prats M等人设计了一款名叫UJI的图书馆机器人，如图1-6所示。该图书馆机器人以三轮移动小车为载体，其上装备有7自由度机械手及其末端夹持机构。另外，在夹持机构上还装有摄像机和传感器，用来进行图书识别和末端执行器定位。图书定位主要利用了红外技术和激光技术，使用该技术，需要

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对周围4米范围内的全部书籍进行扫描，以确定读者所需的图书。这种设计充分利用了书架空问，书与书之间是紧密连接的，书架也不需要做大的改动，适立在传统图书馆中进行推广使用。

图1-5 约翰.霍普金斯大学的图书馆机器人 图1-6 卡捷特罗大学图书馆机器人 1.3 本课题研究主要内容

基于对上述国内外图书馆管理系统和自助图书馆的发展情况的调查与研究，本文对高校校园自助图书馆管理系统的设计与实现进行了研究，针对于当今高校图书馆管理方式所暴露出的问题，提出校园自助管理系统实施的必要性。通过对系统的需求分析，完成了小型图书馆自动取书装置的设计与实现。最后，对装置存在的风险及后期发展进行了论述，为今后的研究提供有效的帮助。

主要内容：确定自动图书库的基本结构，主要由夹书机械手、E形隔书板、立式柜台式外形、控制系统组成。

基本思路：查阅机械手相关资料，设计好机械手的运动方式以及夹持力控制系统的设计，用三维软件画出自动图书库的形状，并在此基础上进行运动仿真。

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第2章 自动取书装置总体方案设计

2.1取书机械手机构的方案选择

图书馆图书自动存取装置的机械结构可以分为移动平台和图书自动存取机械手两部分。移动平台负载着图书存取机械手装置、控制系统、电源系统等，负责机器人的整体移动。图书存取机械手机构负责图书的自动查找、识别和存取。

阁书存取机械手是图书馆机器人完成图书存取任务的重要装置，其工作内容如下:当图书馆机器人获得取书命令，移动平台移动到指定位置后，机械手通过摄像头扫描识别图书，图书识别成功后，山图书存取机械手末端执行机构进行图书的夹取；。机器人获得存书命令后，机械手末端执行机构夹取所还图书，移动平台移动到指定位置，机械手通过摄像头辨别该图书所在书架层的最后一本图书的位置，然后山末端执行机构将图书放黃在该层的最后位置。典型的机械手结构如图2-1所示。

图2-1 典型的机械手结构

直角坐标机器手如图2-1 (a)所示，是各个运动自由度之间成直角关系的机械手，可以为机器人提供X、Y、Z轴三个方向的自由度。在机器人末端可以按照需要安装末端执行机构，完成工作任务。目前，直角坐标机器人作为工业机器人被广泛的应用在辉接、

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