绪论
1.1本课题研究的背景和意义
在图书馆的日常管理中，图书的归类、搬运和上下架等作业需要花费大量人力和时间，增加了图书馆员的劳动强度，有时还会出现图书归类错误和上架错误等现象。目前，多数图书馆利用二维条码和数据库技术实现了图书信息系统管理，即图书采购、图书典藏、读者借还书等环节的信息化管理，提升了图书馆的管理和服务水平。在信息化浪潮中，图书馆缺少以机械化为基础的自动化装置。图书馆作业的自动化和智能化，能够从根本上减轻图书馆员的劳动强度、提高工作效率，尤其适用于釆用闭架借阅图书的图书馆。在博物馆和档案馆，重要文献资料需要在恒温、恒湿环境下保存。利用机器人实现图书和文献资料的归类、自动存取操作，不仅能减少馆员频繁进出馆藏室对重要文献的保存环境造成扰动和破坏，更有利于文献保护。控制系统是图书馆图书自动存取装置的关键组成部分。其性能的好坏直接影响到图书自动存取装置是否能按要求完成规定的图书存取任务，和完成任务质量的好坏。图书自动存取装置的控制系统可分为移动平台控制、图书自动存取机械手控制和机械手末端执行器控制三部分。控制方案的设计可以参考移动式服务机器人。
目前，用于移动式机器人的控制方案有很多种，主要有基于有运动控制功能的PLC的控制、基于运动控制器的控制和基于工控机与运动控制卡的控制等。可编程控制器PLC是机械控制中最常见的硬件，选用带有控制功能的PLC,不仅价格低廉，而且编程简单。在PLC出厂之前，厂家就己在其内部编写了控制命令，用户只需要使用已编好的命令来编写控制程序。运动控制器的优点是功能强大、易幵发。它与具有控制功能的PLC—样，在出厂之前就已编写好命令，用户只需要使用命令进行编程即可。但与编程控制器PLC相比，其价格过高。雄于工控机（IPC)与运动控制卡的控制，其价格低，幵发速度快。这种控制方案是借助汁算机实现运动控制卡的运动控制。工控机可以有效利用计算机系统的软硬件资源，扩展了运动控制卡的功能。另外，随着软件技术的升级和工控机价格的下降，工控机与运动控制卡的控制方法已经慢慢取代了传统的PLC控制器，成为移动式机器人制系统的趋选。移动式图书馆图书自动存取装置釆用工控机和运动控制卡组成的运动控制系统。在Windows XP系统，使用Microsoft Visual C++对运动控制进行软件编.
图书馆图书自动存取装置样机如图1-1所示。样机的移动平台为AGV电磁导引小车，小车底盘上装有电磁传感器及FR读卡器。移动小车上设有控制柜及触摸屏，控制柜内部布局如图1-2所示。图书自动存取机械手选用直角坐标机械手，安装在AGV小车上。图书存取机械手末端执行机构如图1-3所示。末端执行机构由三个气虹及气虹连接板组成。在直角坐标机械手的X轴上装有摄像头，可以采集到机械手移动过程中的实时画面。
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。
常用的驱动系统有电机驱动、气压驱动和液驱动。移动小车两车轮及机械手X、Y、Z三轴均釆用电机驱动。屯机驱动方式无烟尘、无气味、无环境污染、噪音小，非常适合图书馆安静的环境使用。驱动电机种类很多，常用于移动机器人的冇：直流伺服屯机、交流伺服电机和步进电机。直流伺服电机直接接通直流电工作。优点是控制简雄、转矩大、体积小。但其需耍定期维护，使用寿命较短。交流伺服电机无需维护，但驱动电路复杂，价格高。步进电机与汁算机接口，釆用数字信号控制，没有电刷、维护方便。但过载能力弱，有时会出现失步现象[44][45]。移动小车年轮拟采用步进两台直流电机控制。电机输出轴带有光电编码器，用于反馈电机的实际转速、位移。直角坐标机械手的三轴采用步进机控制。选择合迅的电机对于机器人正常高效工作是非常重要的。一般来讲，功率大的电动机，质量和体积都较大；功率小的电动机，如果达不到需耍的功率，机器人运转会不稳定。
2. 图书馆图书自动存取装置的总体设计方案.............. 8
2.1 图书馆图书自动存取装置的设计要求 ..............8
2.2 图书馆图书自动存収装置的总体设计 ..............10
2.3 本章小结 ..............12
3. 图书馆图书自存取装置的机械结构设计与部件选择.............. 13
3.1 图书馆图书自存取装置机械结构总体设计方案的对比分析 ..............13
3.2 运动部件的驰动系统选择.............. 18
3.3 图书馆图书自存取装置动机械结构设计.............. 19
4. 图书馆图书自动存取装置的控制系统设计 ..............31
4.1 运动控制系统总休方案选择 ..............31
4.2 运动控制系统的硬件设计与器件选型.............. 31
4.3 图书自动存取装置的自定位系统.............. 34
结论
本课题提出了一种适用于图书馆的图书自动存取装置，即移动式图书馆图书自动存取机器人。该图书自动存取机器人可以代替人工完成图书馆图书的检索、查找及自动存取工作，减轻了图书员的劳动强度，提高了工作效率。移动式图书馆图书存取机器人设计是一个综合性系统设计，它涉及机械机构、汁算机仿真、机械控制、传感器技术等多个学科。
设计从机器人整体结构入针对图书存取机械手的机械机构和控制做了详细的设计说明。此外，还初步提出了一种基于图像识别技术和数据库技术的机械手末端执行器定位的控制策略。
图书馆图书自动存取机械手末端执行机构虽然可以完成存取书任务，但是工作情况不稳定，还需要在结构和程序上做一定的修改。例如，可将气动机械手改成电动形式，既减轻了机器人整体质量，又可以控制加持力的大小。图书自动取书机械手末端执行机构在还书时，由于合气缸加紧力问题，容易使图书发生书页散开现象，不易放入书柜中。因此还需要设计放置在书架上的图书加紧装置，以保证图书可以顺利放入书柜中。
图像识别技术应用在对图书索引号识别上，还需要近一步的研究，以实现图书馆图书自动存取装置的智能化控制。
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