CN105082154A - 一种图书管理机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于种机器人技术领域，具体涉及一种图书管理机器人，包括云端、控制系统、行进系统、取放书系统、路径识别系统和书籍识别系统；所述控制系统与云端相互通信，所述控制系统分别与行进系统、取放书系统、路径识别系统和书籍识别系统电气连接。本发明的图书管理机器人将图书馆工作者从繁杂枯燥的图书管理工作中解放出来，实现图书管理的自动化；在人力成本日益提高的今天，降低图书管理工作的成本；促进图书管理领域的电子化信息化进程；只需要在现有的图书馆的基础设施上进行一系列简单的改造，该机器人的功能就能够实现，成本小，造价低。

Description

一种图书管理机器人

技术领域

本发明属于种机器人技术领域，具体涉及一种图书管理机器人。

背景技术

目前，在图书馆的图书整理工作大都依靠人工完成，图书管理系统将图书根据类别等信息进行编号，通过编号可以得到书籍的楼层信息，书籍放置大致位置等信息。工作人员从还书处取得书籍，并按照楼层分拣书籍，然后将其运送至指定楼层。根据编号的设置规则，将书籍放置至正确的位置。这项工作具有极高的重复性，且具有枯燥以及工作量大等的缺点。

工作人员通过书籍的编号将其分类，并将其放入指定的位置，该整理图书的方式具有诸多不足之处，具体体现在以下几个方面:

(1)图书整理过程枯燥繁杂，人工整理方式工作量大，劳动强度高；

(2)人工整理图书效率低。

国外一些图书馆采用了机器人，如悉尼科技大学图书管理机器人，他们将图书馆设置于地下，将图书放入指定的铁箱内，图书被贴上射频标签，通过机器人吊臂实现图书自动取放。德国洪堡大学图书馆机器人，他们采用金属感应条牵引机器人沿预定轨迹移动，机器人通过搬运书箱实现取书。但是这些方案都有如下缺点：

(1)图书馆改动大，成本高；

(2)造价高昂；

(3)智能化程度不高，不够灵活。

发明内容

本发明提供一种图书管理机器人，该图书管理机器人可以代替图书馆书籍整理人员的工作，极大地提高图书整理的效率，最终形成一个高效的图书馆管理系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种图书管理机器人，包括云端、控制系统、行进系统、取放书系统、路径识别系统和书籍识别系统；所述控制系统与云端相互通信，所述控制系统分别与行进系统、取放书系统、路径识别系统和书籍识别系统电气连接。

所述行进系统，用于完成机器人各个方向的行进和转向；所述取放书系统，用于完成书籍的取放；所述路径识别系统，用于采集路径和路障信息，并将信息传输给控制系统；所述书籍识别系统，用于采集书籍上的条形码信息和书架上的书籍信息，并将信息传输给控制系统；所述控制系统，用于接收路径识别系统和书籍识别系统采集的信息，并将信息传送到云端，接收云端传回的指令，执行指令；所述云端，用于存储图书馆的电子地图，接收并处理控制系统传来的信息，根据信息处理的结果得到指令，并将指令传送回控制系统。

相比人工将还书处的书籍归还到图书馆各处，智能化的图书管理机器人的工作效率更高，免除了人工操作的繁杂重复枯燥。而且只需要在现有图书馆的基础设施上进行一系列简单的改造，该机器人的功能就能够实现，成本小，造价低。

进一步地，所述的图书管理机器人包括底座，所述行进系统包括麦克纳姆轮和麦克纳姆轮驱动装置，所述麦克纳姆轮安装在机器人底座的4个边角处，所述麦克纳姆轮驱动装置用于驱动麦克纳姆轮转动。

麦克纳姆轮结构紧凑，运动灵活，本发明的图书管理机器人的运动是基于麦克纳姆轮实现的，能够实现前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式，灵活方便的实现全方位移动功能。

进一步地，所述取放书系统包括水平旋转台、水平移动台、机械臂、丝杠和竖直杆，所述水平旋转台安装在底座的中部，所述水平移动台安装在水平旋转台中部的方形槽中，所述丝杠和竖直杆安装在水平移动台的顶部，所述丝杠包括丝杠I和丝杠II，所述竖直杆包括竖直杆I和竖直杆II，所述机械臂包括机械臂I和机械臂II，所述机械臂I安装在丝杠I和竖直杆I上，所述机械臂II安装在丝杠II和竖直杆II上；所述取放书系统还包括水平旋转台驱动装置、水平移动台驱动装置、机械臂驱动装置和丝杠驱动装置，所述水平旋转台驱动装置用于驱动水平旋转台进行正反旋转，所述水平移动台驱动装置用于驱动水平移动台在水平旋转台中部的方形槽内进行往复运动，所述丝杠驱动装置用于分别驱动丝杠I和丝杠II进行正反旋转，所述机械臂驱动装置用于驱动机械臂I进行开合和伸缩运动，驱动机械臂II进行开合运动。

所述取放书系统，通过水平旋转台、水平移动台、丝杠和机械臂的相互配合，从而完成一个还书的过程。机械臂灵活耐用，水平旋转台和水平移动台相互配合，能够实现任何位置的360°旋转，该取放书系统设计合理，能够灵活平稳的将书籍归还到其所在位置。

进一步地，所述路径识别系统包括光电传感器和摄像头模块I，所述光电传感器和摄像头模块I分别与控制系统电气连接，所述光电传感器安装在底座的前部，所述摄像头模块I安装在丝杠和竖直杆顶部的平台上。

进一步地，所述路径识别系统包括电磁传感器、RFID阅读器和摄像头模块I，所述电磁传感器、RFID阅读器和摄像头模块I分别与控制系统电气连接，所述电磁传感器安装在底座的前部，所述RFID阅读器安装在底座的下部，所述摄像头模块I安装在丝杠和竖直杆顶部的平台上。

在路径识别系统中，电磁传感器用于采集磁场信号，RFID阅读器用于读取RFID电子标签的信息，而摄像头模块用于采集路障信息，然后这些采集的信息由控制系统传输到云端，进而云端对信息处理然后发出指令，指挥图书管理机器人前向、转向或者停止躲避障碍等。图书馆机器人的路径识别主要是基于电磁导引，并采用RFID电子标签对路径的节点进行标示。这种路径识别方法，成本低，稳定性好，只需要在图书馆地面上沿预先设定的行驶路径铺设一条导线，并在有路径节点的位置布置RFID电子标签即可，对图书馆的改动小，容易实现。

进一步地，所述书籍识别系统包括条形码扫描装置和摄像头模块II，所述条形码扫描装置和摄像头模块II分别与控制系统电气连接，所述条形码扫描装置安装在机械臂I远离手臂的侧边上，所述摄像头模块II安装在丝杠和竖直杆顶部的平台上。

条形码扫描装置用于扫描抽屉式储书箱上书籍侧边的条形码，而摄像头模块II用于采集书架上书籍的条形码信息以及书籍之间缝隙，从而能够实现对需要归还的书籍在书架上的准确定位，进而取放书系统能够将该书籍放到书架上的准确位置。

进一步地，所述摄像头模块包括摄像头和摄像头驱动模块，所述摄像头驱动模块用于驱动摄像头旋转。

进一步地，所述控制系统包括微控制器、无线传输模块、电机驱动模块和舵机驱动模块；所述微控制器分别与无线传输模块、电机驱动模块和舵机驱动模块连接。所述微处理器，用于与云端进行信息交互，执行云端传回的指令；所述电机驱动模块，用于控制水平旋转台驱动装置、水平移动台驱动装置、丝杠驱动装置和摄像头驱动模块；所述舵机驱动模块，用于控制机械臂驱动装置；所述无线传输模块，用于与云端相互通信。所述微控制器采用stm32f407芯片。控制系统核心采用的stm32f407芯片，在市场上非常成熟，而且性价比高。

进一步地，所述的图书管理机器人还包括上壳体和储书柜，所述上壳体安装在底座上部，所述储书柜安装在底座的后部，所述上壳体和储书柜连接为一体，所述储书柜上设有可抽拉的抽屉式储书箱。

储书柜上设有可抽拉的抽屉式储书箱，图书馆管理人员在还书处将各个楼层的书籍按照楼层分类，将同一楼层的书装到同一个抽屉式储书箱内，将抽屉式储书箱放置到储书柜内，图书管理机器人即可将书籍归还至合适的位置。该抽屉式储书箱的设置，更换灵活，使用方便，能够提高工作效率。

进一步地，所述的图书管理机器人还包括显示屏，所述显示屏设置于储书柜的顶部，与控制系统电气连接。显示屏为触摸式显示屏，用于显示机器人的工作状态，各系统的运行情况，便于机器人的日常维护和定期检修，此外还可以利用显示屏设定机器人的工作模式。

图书管理机器人要归还抽屉式储书箱中的一本书籍时，由条形码扫描装置扫描获取条形码信息上传到云端，从云端数据库中查询出其对应的图书位置信息，并根据图书管理机器人的位置建立数学模型进行路径规划，得出最优行进路径。然后云端将命令传回图书管理机器人。然后图书管理机器人行进至目标位置，通过摄像头对书架信息进行校对，通过水平旋转台与机械臂的配合进行取放书操作，将书籍放入指定书架。本发明的图书管理机器人具有以下有益效果：

(1)通过机器人代替人工实现图书馆书籍的整理，将图书馆工作者从繁杂枯燥的图书管理工作中解放出来，实现图书管理的自动化；

(2)图书管理机器人智能化高，可以极大的提高图书馆书籍整理的效率，在人力成本日益提高的今天，降低图书管理工作的成本；

(3)促进图书管理领域的电子化信息化进程；

(4)只需要在现有的图书馆的基础设施上进行一系列简单的改造，该机器人的功能就能够实现，成本小，造价低。

附图说明

图1为本发明的模块结构示意图；

图2为图书管理机器人的结构示意图；

其中：1-丝杠I；2-竖直杆I；3-竖直杆II；4-丝杠II；5-显示屏；6-抽屉式储书箱；7-储书柜；8-条形码扫描装置；9-上壳体；10-麦克纳姆轮；11-底座；12-摄像头模块；13-械臂II；14-机械臂I；15-水平移动台；16-水平旋转台；17-电磁传感器。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的内容作进一步叙述。

一种图书管理机器人，其特征在于：包括云端、控制系统、行进系统、取放书系统、路径识别系统和书籍识别系统；所述控制系统与云端相互通信，所述控制系统分别与行进系统、取放书系统、路径识别系统和书籍识别系统电气连接。

所述行进系统，用于完成机器人各个方向的行进和转向；所述取放书系统，用于完成书籍的取放；所述路径识别系统，用于采集路径和路障信息，并将信息传输给控制系统；所述书籍识别系统，用于采集书籍上的条形码信息和书架上的书籍信息，并将信息传输给控制系统；所述控制系统，用于接收路径识别系统和书籍识别系统采集的信息，并将信息传送到云端，接收云端传回的指令，执行指令；所述云端，用于存储图书馆的电子地图，接收并处理控制系统传来的信息，根据信息处理的结果得到指令，并将指令传送回控制系统。

本发明的图书管理机器人从还书处获取装有某楼层书籍的储书箱，然后通过书籍识别系统采集书籍侧边的条形码从而确定书籍所在书架位置及所在架层信息并进行运送，在运送过程中，通过路径识别系统采集的路径与路障信息，进行路径选择和路障避让，当到达该书籍所在的书架的架层时，则由书籍识别系统采集书架上的书籍的信息，从而确定该书籍的具体位置，再由取放书系统将书籍放到该位置；同样，该图书管理机器人还能完成取出指定书籍的功能。

所述的图书管理机器人包括底座11，所述行进系统包括麦克纳姆轮10和麦克纳姆轮驱动装置，所述麦克纳姆轮10安装在机器人底座11的4个边角处，所述麦克纳姆轮驱动装置用于驱动麦克纳姆轮转动。

所述取放书系统包括水平旋转台16、水平移动台15、机械臂、丝杠和竖直杆，所述水平旋转台16安装在底座11的中部，所述水平移动台15安装在水平旋转台16中部的方形槽中，所述丝杠和竖直杆安装在水平移动台15的顶部，所述丝杠包括丝杠I1和丝杠II4，所述竖直杆包括竖直杆I2和竖直杆II3，所述机械臂包括机械臂I14和机械臂II13，所述机械臂I14安装在丝杠I1和竖直杆I2上，所述机械臂II13安装在丝杠II4和竖直杆II3上；所述取放书系统还包括水平旋转台驱动装置、水平移动台驱动装置、机械臂驱动装置和丝杠驱动装置，所述水平旋转台驱动装置用于驱动水平旋转台16进行正反旋转，所述水平移动台驱动装置用于驱动水平移动台15在水平旋转台16中部的方形槽内进行往复运动，所述丝杠驱动装置用于分别驱动丝杠I1和丝杠II4进行正反旋转，所述机械臂驱动装置用于驱动机械臂I14进行开合和伸缩运动，驱动机械臂II13进行开合运动。

机械臂I和机械臂II的末端均设置有夹书板。当图书管理机器人到达需要归还书籍所在的书架时，水平旋转台旋转，同时带动机械臂I和机械臂II旋转，丝杠I正/反旋转，将机械臂I带到需要归还的书籍处，机械臂I的夹书板伸到该书籍的两侧，将该书籍两侧的书撑开，丝杠II正/反旋转，将机械臂II带到需要归还的书籍处，水平移动台往/复运动，带动机械臂I伸到该书籍处，将该书籍夹起；随后水平旋转台旋转，同时带动机械臂I和机械臂II旋转，丝杠I正/反旋转，将机械臂I带到需要归还书籍所在的书架的具体位置处，机械臂I的夹书板伸到该书籍所在的位置，将两侧的书撑开，丝杠II正/反旋转，水平移动台往/复运动，将机械臂II带到需要归还的书籍所在的位置处，将书籍放在该处，从而实现了将书籍归还至其所在位置的过程。取书的过程也是如此。

所述路径识别系统包括电磁传感器17、RFID阅读器和摄像头模块I，所述电磁传感器17、RFID阅读器和摄像头模块I分别与控制系统电气连接，所述电磁传感器17安装在底座11的前部，所述RFID阅读器安装在底座11的下部，所述摄像头模块I安装在丝杠和竖直杆顶部的平台上。

路径识别主要是基于RFID的电磁导引方式。电磁导引又称“线导”(WireGuidance)，是将载有导引频率交流电的电线埋入地下或铺设在地表，电磁传感器通过采集导引线的磁场信号来进行导引。而RFID作为标签可以标示各节点的信息。用于路径的识别和图书馆书架的定位。RFID通常由RFID标签(tag)、读写器、天线、中间件及应用软件组成。在仓储与物流配送管理等领域有着广泛的应用，是目前物联网概念的核心技术之一。

对现有图书馆进行现有改造之时，需要在图书馆的地板上布置电磁导引带，一般采用导线即可。图书管理机器人采用的循迹传感器由多个电感以及检测电路组成，电感通过检测电磁导引带中的交变电流产生的磁场强弱来判断机器人相对于电磁导引带的位置。使图书管理机器人沿着既定轨迹行进，当遇到岔路口时，RFID阅读器阅读识别岔路口节点处的RFID电子标签，根据云端传回的路径指令判断是否转向，到达预定书架处，图书管理机器人根据书架前的电子标签判断图书的大致所在区域。图书管理机器人根据电磁传感器返回的信息进行路径识别。

所述书籍识别系统包括条形码扫描装置8和摄像头模块II，所述条形码扫描装置8和摄像头模块II分别与控制系统电气连接，所述条形码扫描装置8安装在机械臂I14远离手臂的侧边上，所述摄像头模块II安装在丝杠和竖直杆顶部的平台上。

所述摄像头模块12包括摄像头和摄像头驱动模块，所述摄像头驱动模块用于驱动摄像头旋转。所述路径识别系统和书籍识别系统都包含摄像头模块，该摄像头模块可以是同一个，也可以是几个。

所述控制系统包括微控制器、无线传输模块、电机驱动模块和舵机驱动模块；所述微控制器分别与无线传输模块、电机驱动模块和舵机驱动模块连接；所述微处理器，用于与云端进行信息交互，执行云端传回的指令；所述电机驱动模块，用于控制水平旋转台驱动装置、水平移动台驱动装置、丝杠驱动装置和摄像头驱动模块；所述舵机驱动模块，用于控制机械臂驱动装置；所述无线传输模块，用于与云端相互通信。所述微控制器采用stm32f407芯片。

所述的图书管理机器人还包括上壳体9和储书柜7，所述上壳体9安装在底座11上部，所述储书柜7安装在底座11的后部，所述上壳体9和储书柜7连接为一体，所述储书柜7上设有可抽拉的抽屉式储书箱6。

所述的图书管理机器人还包括显示屏5，所述显示屏5设置于储书柜7的顶部，与控制系统电气连接。

图书管理机器人的控制系统、麦克纳姆轮驱动装置、水平旋转台驱动装置、水平移动台驱动装置、机械臂驱动装置和丝杠驱动装置一般安放在底座11与上壳体9之间，也可以安装在任何位置，只要能够实现本专利所要保护的技术方案即可。

Claims (10)

1.一种图书管理机器人，其特征在于：包括云端、控制系统、行进系统、取放书系统、路径识别系统和书籍识别系统；所述控制系统与云端相互通信，所述控制系统分别与行进系统、取放书系统、路径识别系统和书籍识别系统电气连接；

所述行进系统，用于完成机器人各个方向的行进和转向；

所述取放书系统，用于完成书籍的取放；

所述路径识别系统，用于采集路径和路障信息，并将信息传输给控制系统；

所述书籍识别系统，用于采集书籍上的条形码信息和书架上的书籍信息，并将信息传输给控制系统；

所述控制系统，用于接收路径识别系统和书籍识别系统采集的信息，并将信息传送到云端，接收云端传回的指令，执行指令；

所述云端，用于存储图书馆的电子地图，接收并处理控制系统传来的信息，根据信息处理的结果得到指令，并将指令传送回控制系统。

2.根据权利要求1所述的图书管理机器人，其特征在于：所述的图书管理机器人包括底座(11)，所述行进系统包括麦克纳姆轮(10)和麦克纳姆轮驱动装置，所述麦克纳姆轮(10)安装在机器人底座(11)的4个边角处，所述麦克纳姆轮驱动装置用于驱动麦克纳姆轮转动。

3.根据权利要求2所述的图书管理机器人，其特征在于：所述取放书系统包括水平旋转台(16)、水平移动台(15)、机械臂、丝杠和竖直杆，所述水平旋转台(16)安装在底座(11)的中部，所述水平移动台(15)安装在水平旋转台(16)中部的方形槽中，所述丝杠和竖直杆安装在水平移动台(15)的顶部，所述丝杠包括丝杠I(1)和丝杠II(4)，所述竖直杆包括竖直杆I(2)和竖直杆II(3)，所述机械臂包括机械臂I(14)和机械臂II(13)，所述机械臂I(14)安装在丝杠I(1)和竖直杆I(2)上，所述机械臂II(13)安装在丝杠II(4)和竖直杆II(3)上；所述取放书系统还包括水平旋转台驱动装置、水平移动台驱动装置、机械臂驱动装置和丝杠驱动装置，所述水平旋转台驱动装置用于驱动水平旋转台(16)进行正反旋转，所述水平移动台驱动装置用于驱动水平移动台(15)在水平旋转台(16)中部的方形槽内进行往复运动，所述丝杠驱动装置用于分别驱动丝杠I(1)和丝杠II(4)进行正反旋转，所述机械臂驱动装置用于驱动机械臂I(14)进行开合和伸缩运动，驱动机械臂II(13)进行开合运动。

4.根据权利要求3所述的图书管理机器人，其特征在于：所述路径识别系统包括电磁传感器(17)、RFID阅读器和摄像头模块I，所述电磁传感器(17)、RFID阅读器和摄像头模块I分别与控制系统电气连接，所述电磁传感器(17)安装在底座(11)的前部，所述RFID阅读器安装在底座(11)的下部，所述摄像头模块I安装在丝杠和竖直杆顶部的平台上。

5.根据权利要求4所述的图书管理机器人，其特征在于：所述书籍识别系统包括条形码扫描装置(8)和摄像头模块II，所述条形码扫描装置(8)和摄像头模块II分别与控制系统电气连接，所述条形码扫描装置(8)安装在机械臂I(14)远离手臂的侧边上，所述摄像头模块II安装在丝杠和竖直杆顶部的平台上。

6.根据权利要求4或5所述的图书管理机器人，其特征在于：所述摄像头模块(12)包括摄像头和摄像头驱动模块，所述摄像头驱动模块用于驱动摄像头旋转。

7.根据权利要求6所述的图书管理机器人，其特征在于：所述控制系统包括微控制器、无线传输模块、电机驱动模块和舵机驱动模块；所述微控制器分别与无线传输模块、电机驱动模块和舵机驱动模块连接；

所述微处理器，用于与云端进行信息交互，执行云端传回的指令；

所述电机驱动模块，用于控制水平旋转台驱动装置、水平移动台驱动装置、丝杠驱动装置和摄像头驱动模块；

所述舵机驱动模块，用于控制机械臂驱动装置；

所述无线传输模块，用于与云端相互通信。

8.根据权利要求7所述的图书管理机器人，其特征在于：所述微控制器采用stm32f407芯片。

9.根据权利要求1所述的图书管理机器人，其特征在于：所述的图书管理机器人还包括上壳体(9)和储书柜(7)，所述上壳体(9)安装在底座(11)上部，所述储书柜(7)安装在底座(11)的后部，所述上壳体(9)和储书柜(7)连接为一体，所述储书柜(7)上设有可抽拉的抽屉式储书箱(6)。

10.根据权利要求1所述的图书管理机器人，其特征在于：所述的图书管理机器人还包括显示屏(5)，所述显示屏(5)设置于储书柜(7)的顶部，与控制系统电气连接。