作者：張宸豪 戚益凡 陳世達(dá) 高梓欽 譚清
單位：華北科技學(xué)院
指導(dǎo)老師：羅建國(guó) 韓紅利

? ?? ? 閱讀對(duì)于學(xué)生的重要性毋庸置疑，因此圖書(shū)館是一個(gè)校園非常重要的組成部分，圖書(shū)館的書(shū)籍借閱，能為學(xué)生提供非常大的學(xué)習(xí)平臺(tái)。而學(xué)校圖書(shū)館藏書(shū)最少近萬(wàn)本，按照不同的類(lèi)別進(jìn)行擺放，加之圖書(shū)館每天龐大的人流量形成巨大的借閱量，圖書(shū)的提取成為了一個(gè)非常繁重的工作（如下圖所示）。為減輕工作人員的勞動(dòng)量、提高效率及縮短圖書(shū)的提取時(shí)間，本團(tuán)隊(duì)提出設(shè)計(jì)一個(gè)智能圖書(shū)搬運(yùn)機(jī)器人。本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是成功完成要用于完成圖書(shū)的提取、搬運(yùn)工作。因此要求機(jī)器人具有行走、自動(dòng)識(shí)別圖書(shū)類(lèi)別、并將圖書(shū)從書(shū)架上準(zhǔn)確提取的功能。同時(shí)機(jī)器人應(yīng)考慮到在人流量大場(chǎng)所中工作的安全穩(wěn)定以及圖書(shū)館中作業(yè)的安靜運(yùn)行等特性。

? ?? ? 經(jīng)過(guò)反復(fù)考察，征求各方專(zhuān)家老師的意見(jiàn)，結(jié)合現(xiàn)階段學(xué)校圖書(shū)館的現(xiàn)狀，開(kāi)發(fā)研制了專(zhuān)用校園智能圖書(shū)搬運(yùn)機(jī)器人。該機(jī)器包括了自動(dòng)巡線(xiàn)、避障、取書(shū)、送書(shū)等功能，通過(guò)自行設(shè)計(jì)的獨(dú)特機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了書(shū)架上書(shū)籍的精確提取，操作人員對(duì)機(jī)器人的指令輸入，機(jī)器人自行分析路徑，穩(wěn)定準(zhǔn)確的行駛至對(duì)應(yīng)的書(shū)架前，并實(shí)現(xiàn)取書(shū)、運(yùn)書(shū)一體化，節(jié)約了大量的時(shí)間、人力、財(cái)力。

1. 作品簡(jiǎn)介

? ?? ? 智能圖書(shū)搬運(yùn)機(jī)器人（如下圖所示），是基于校園圖書(shū)館內(nèi)服務(wù)的一款機(jī)器人，該機(jī)器人具備自動(dòng)循跡技術(shù)，可在圖書(shū)館內(nèi)沿劃定路線(xiàn)進(jìn)行循跡自動(dòng)行駛，并在達(dá)到目標(biāo)位置時(shí)停止，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，通過(guò)瞄-抽-夾-提-放5步，將目標(biāo)書(shū)籍從書(shū)架上提取至機(jī)器人貨倉(cāng)，再循跡前往下一個(gè)目標(biāo)位置。通過(guò)這些功能，可以完成幫助圖書(shū)管理員取書(shū)的任務(wù)，圖書(shū)管理員只需向機(jī)器人導(dǎo)入取書(shū)指令，機(jī)器人便可將目標(biāo)書(shū)籍取回。同時(shí)，其安裝有紅外傳感器、LED 顯示屏、以及運(yùn)行指示燈，可以在實(shí)際運(yùn)行中，在運(yùn)行軌跡上出現(xiàn)障礙物時(shí)緊急制動(dòng)，并通過(guò) LED 顯示屏和指示燈向外界傳達(dá)避讓信息，保證了在人流活動(dòng)場(chǎng)所中機(jī)器運(yùn)行所必須考慮的安全性。智能圖書(shū)搬運(yùn)機(jī)器人具有全自動(dòng)作業(yè)、工作容量大、安全穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

2. 作品設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)
? ?? ? ① 底盤(pán)及行走結(jié)構(gòu)：通過(guò)桿件和板塊形成底盤(pán)，寬廣而平整，配合兩側(cè)的欄桿，形成了理想的貨倉(cāng)。底盤(pán)下安裝有四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，形成四輪驅(qū)動(dòng)，由arduino 單獨(dú)控制左右側(cè)輪的轉(zhuǎn)速，形成差速轉(zhuǎn)向，運(yùn)動(dòng)靈活敏捷，在校園圖書(shū)館內(nèi)可進(jìn)行安靜平穩(wěn)的循跡運(yùn)動(dòng)，將書(shū)籍安全地送至指定地點(diǎn)。模塊化搭建，拆卸方便，利于維護(hù)修理，方便后期進(jìn)行二次改造。底盤(pán)結(jié)構(gòu)如下圖所示：

? ?? ? ② 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)：機(jī)械臂由升降臺(tái)和抓取臂兩部分組成。升降臺(tái)使用步進(jìn)電機(jī)配合螺紋柱，形成抓取臂的豎直移動(dòng)底座，方便完成不同書(shū)架高度的作業(yè)要求，通過(guò)對(duì)螺紋柱長(zhǎng)度的加長(zhǎng)，可以提高抓取臂的移動(dòng)高度上限。升降臺(tái)的底座，是270°舵機(jī)，其控制升降臺(tái)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)了以升降臺(tái)為軸的抓取臂的圓周運(yùn)動(dòng)，使機(jī)械臂靈活地在書(shū)架與貨倉(cāng)間轉(zhuǎn)移。抓取臂采用兩個(gè)舵機(jī)橫向安裝，形成兩軸結(jié)構(gòu)，使得抓取臂能在豎直平面上在一定范圍內(nèi)靈活、精準(zhǔn)地運(yùn)動(dòng)，與升降臺(tái)的互相配合，形成大范圍作業(yè)區(qū)域廣，小范圍作業(yè)精度高的特點(diǎn)，抓取臂的頭部是提取膠輪和機(jī)械爪，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)膠輪旋轉(zhuǎn)，在摩擦力的作用下將目標(biāo)書(shū)籍從書(shū)堆中分離，機(jī)械爪由舵機(jī)和桿件配合控制夾放，在膠輪提取后進(jìn)行夾取運(yùn)動(dòng)，爪上套有橡皮套，在增大摩擦的同時(shí)，可以保護(hù)書(shū)籍，整套機(jī)械臂結(jié)構(gòu)通過(guò)仿生抽-夾-提的拿書(shū)動(dòng)作，有效保證書(shū)籍提取的精確性穩(wěn)定性。機(jī)械臂結(jié)構(gòu)如下圖所示：

2.2 運(yùn)動(dòng)分析
? ?? ? ① 底盤(pán)行走分析：底盤(pán)開(kāi)機(jī)，四輪默認(rèn)轉(zhuǎn)速為正轉(zhuǎn) 130，形成勻速前進(jìn)，由四個(gè)灰度傳感器返回的值來(lái)判斷小車(chē)巡線(xiàn)準(zhǔn)確性，同時(shí)控制轉(zhuǎn)向調(diào)整。若偏離航向，灰度傳感器向 arduino 傳遞信號(hào)發(fā)生改變，Arduino 板驅(qū)動(dòng)電機(jī)變速形成左右差速變向；例如，若巡線(xiàn)偏左，傳感器數(shù)值由 1001 變?yōu)? 1100，開(kāi)發(fā)板接收到信號(hào)變化，控制右方兩個(gè)電機(jī)速度變速為正轉(zhuǎn) 205、左方兩個(gè)電機(jī)變速為反轉(zhuǎn)80，形成差速左轉(zhuǎn)；經(jīng)過(guò)不斷調(diào)試后，我們將左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)延遲設(shè)置為0.05秒，該延遲下既保證了巡線(xiàn)的準(zhǔn)確度，也保證了車(chē)輛行進(jìn)姿態(tài)的穩(wěn)定。
? ?? ? ② 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)分析：自下而上定義定義舵機(jī)號(hào)數(shù)為1、2、3、4、5，機(jī)械臂默認(rèn)狀態(tài)下為1號(hào)舵機(jī)90°、2號(hào)舵機(jī)180°、3 號(hào)舵機(jī)150°、4號(hào)舵機(jī)90°、5號(hào)舵機(jī)180°，折疊停放在貨倉(cāng)上方。小車(chē)抵達(dá)指定取書(shū)位置，3號(hào)舵機(jī)轉(zhuǎn)至135°，前臂向上展開(kāi)；1號(hào)舵機(jī)轉(zhuǎn)至15°，機(jī)械臂向右轉(zhuǎn)；2號(hào)舵機(jī)轉(zhuǎn)至115°，機(jī)械臂前伸，膠輪壓住目標(biāo)書(shū)籍；隨后5號(hào)舵機(jī)轉(zhuǎn)至0°，膠輪開(kāi)始緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，將目標(biāo)書(shū)籍抽出；4號(hào)舵機(jī)轉(zhuǎn)至0°，夾子抓緊，夾住目標(biāo)書(shū)籍；夾取穩(wěn)定后，2號(hào)舵機(jī)轉(zhuǎn)至180°、1號(hào)舵機(jī)轉(zhuǎn)至90°、3號(hào)舵機(jī)轉(zhuǎn)至165°，機(jī)械臂回收至貨倉(cāng)上方；4號(hào)舵機(jī)轉(zhuǎn)至45°，夾子放開(kāi)；書(shū)落到小車(chē)架子上。機(jī)械臂運(yùn)作示意圖如下所示：

2.3 傳感器應(yīng)用
? ?? ? ① 灰度傳感器循跡：灰度傳感器利用一只發(fā)光二極管和一只光敏電阻，通過(guò)反饋的形式給數(shù)字引腳提供具體數(shù)據(jù)。本機(jī)器采用四個(gè)灰度傳感器集合的方式，進(jìn)行黑色線(xiàn)尋跡，對(duì)線(xiàn)路的識(shí)別進(jìn)行精準(zhǔn)把控，arduino 控制板把四個(gè)傳感器獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行位處理，對(duì)處理后的數(shù)字進(jìn)行范圍的判斷，并通過(guò)選擇語(yǔ)句對(duì)機(jī)器人的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)進(jìn)行有序地調(diào)控，保證在無(wú)人操控的場(chǎng)景下，機(jī)器人能按照既定軌跡在取書(shū)臺(tái)、閱覽區(qū)、書(shū)庫(kù)間執(zhí)行運(yùn)輸任務(wù)，提高了容錯(cuò)率。
? ?? ? ② 紅外傳感器避障：近紅外傳感器是一種開(kāi)關(guān)量傳感器，它可以檢測(cè)到前方是否有物體存在，當(dāng)檢測(cè)到有物體存在時(shí)，傳感器輸出口會(huì)輸出低電平；相反在未檢測(cè)到前方有物體時(shí)，傳感器輸出口會(huì)輸出一個(gè)高電平，通過(guò)電平變化向Aduino 控制板反映前方障礙物情況，我們?cè)谲?chē)輛前方安裝有近紅外傳感器，用以調(diào)度車(chē)輪電機(jī)，在圖書(shū)館中巡線(xiàn)過(guò)程中，若有人進(jìn)入小車(chē)循跡軌跡中，Arduino控制板接收到傳感器高電平變?yōu)榈碗娖?，發(fā)出對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的停止指令，控制小車(chē)急停，前方人員離開(kāi)后，紅外傳感器輸出高電平，機(jī)器人繼續(xù)執(zhí)行循跡取書(shū)任務(wù)。

2.4 設(shè)備安裝與調(diào)試
? ?? ? ① 使用不同的零件拼裝實(shí)體，搭載舵機(jī)電機(jī)，進(jìn)行調(diào)試，調(diào)整舵機(jī)轉(zhuǎn)向的角度，模擬小車(chē)轉(zhuǎn)向移動(dòng)使小車(chē)轉(zhuǎn)向更加合理。增加灰度傳感器、紅外避障傳感器等多項(xiàng)裝置，增加其功能。
? ?? ? ② 編寫(xiě)程序，控制抓取裝置進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試出抓取裝置的最遠(yuǎn)距離和最近距離，以及編寫(xiě)避障與循跡軌跡的程序，測(cè)試循跡和避障的實(shí)際效果，并進(jìn)行軌跡調(diào)整和停留時(shí)間的修改。
? ?? ? ③ 對(duì)輪距、機(jī)械臂位置進(jìn)行調(diào)整，平衡機(jī)器人的重心，保證機(jī)器人的輪胎抓地力，提高過(guò)彎流暢性和夾取穩(wěn)定性。
? ?? ? ④ 測(cè)試夾取不同大小、厚度的書(shū)籍，觀察抽取流暢度、夾取穩(wěn)定性。及時(shí)對(duì)力臂長(zhǎng)短、施壓大小、夾取緊度進(jìn)行調(diào)整，取綜合最優(yōu)值，使機(jī)器人在夾取不同類(lèi)型書(shū)籍時(shí)既穩(wěn)定可靠，又不會(huì)對(duì)書(shū)籍造成破壞。
? ?? ? ⑤ 在不同的光照強(qiáng)度下進(jìn)行模擬試驗(yàn)，模擬機(jī)器人穿越書(shū)庫(kù)、閱覽區(qū)等光照強(qiáng)度不同的場(chǎng)所，讓小車(chē)完成一定軌跡的整套流程動(dòng)作測(cè)試其性能使之能更加適應(yīng)應(yīng)用場(chǎng)景，并記錄每次完成一整套動(dòng)作的時(shí)間，用于判斷節(jié)省的時(shí)間。

3. 作品創(chuàng)新點(diǎn)
3.1 膠輪式抓取結(jié)構(gòu)
? ?? ? 在圖書(shū)館中，書(shū)籍多為成排立放與書(shū)架，書(shū)與書(shū)之間緊貼放置，無(wú)法直接使用機(jī)械爪直接夾取單本書(shū)，我們思考過(guò)仿人手設(shè)計(jì)，在原型機(jī)上設(shè)置了一個(gè)手指型的爪子先將書(shū)勾出一個(gè)角，但機(jī)械臂的力道控制無(wú)法達(dá)到生物級(jí)精度，考慮到鉤子會(huì)對(duì)書(shū)產(chǎn)生損壞，我們轉(zhuǎn)變思路，采用了膠輪結(jié)構(gòu)（如下圖所示），使用舵機(jī)配合帶橡膠圈的圓片，安裝在機(jī)械臂頭部，組成提取結(jié)構(gòu)，可以精確地將目標(biāo)書(shū)籍從書(shū)堆中分離，并且對(duì)書(shū)籍的損害降到最低。對(duì)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的設(shè)置即對(duì)圖書(shū)抽離最遠(yuǎn)及最近距離的設(shè)置，方便接下來(lái)機(jī)械爪進(jìn)行夾取動(dòng)作。

3.2 單柱式升降結(jié)構(gòu)
? ?? ? 區(qū)別于傳統(tǒng)螺紋柱加光滑柱組成的雙柱升降結(jié)構(gòu)，我們采用步進(jìn)電機(jī)與螺紋桿連接，螺紋桿與升降模塊相互配合，后方支柱限位升降模塊的旋轉(zhuǎn)，形成了單柱式升降結(jié)構(gòu)，如下圖 所示：

? ?? ? 為解決傳統(tǒng)單柱升降所產(chǎn)生的晃動(dòng)，我們將升降模塊通過(guò)卡扣緊貼與后方主支柱，如下圖所示，讓支柱同時(shí)充當(dāng)升降模塊的滑軌和支柱，達(dá)成了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)機(jī)械臂平穩(wěn)升降的效果，該結(jié)構(gòu)既節(jié)省空間，又具備了雙柱式的穩(wěn)定性。

3.3 遇障處理
? ?? ? 圖書(shū)館狹小的通道內(nèi)，機(jī)器人的繞行避障實(shí)現(xiàn)困難，結(jié)合圖書(shū)館運(yùn)行場(chǎng)所，我們機(jī)器人前部設(shè)置紅外傳感器，主要用于識(shí)別在規(guī)定航線(xiàn)上的路人，當(dāng)前部的紅外傳感器識(shí)別到路人時(shí)，便會(huì)通過(guò)頂部顯示屏，如下圖所示，發(fā)出提醒字樣，提醒路人注意避讓。顯示屏采用 LED 顯示，LED 顯示清晰，提示明顯。

4. 示例程序

① 機(jī)械臂代碼

② 底盤(pán)代碼

5. 作品難點(diǎn)及解決方案

5.1 循跡穩(wěn)定性
? ?? ? 在實(shí)際運(yùn)行中，機(jī)器人要經(jīng)過(guò)書(shū)庫(kù)、閱覽區(qū)，環(huán)境光線(xiàn)變化大，且移動(dòng)的人影也容易造成較大干擾，受到以上不確定因素的影響，機(jī)器人很難準(zhǔn)確識(shí)別循跡路線(xiàn)。為了提高循跡穩(wěn)定性我們比較了灰度傳感器、近紅外傳感器等多種方案，最后選用灰度傳感器。
? ?? ? 我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中，多次調(diào)整灰度傳感器距離地面的高度，同時(shí)也對(duì)各傳感器間距進(jìn)行調(diào)整，提高了循跡精度。在轉(zhuǎn)向時(shí)，常出現(xiàn)車(chē)輛出線(xiàn)和方向無(wú)法按軌跡轉(zhuǎn)向的狀況，我們通過(guò)降低轉(zhuǎn)向時(shí)的速度，減少反應(yīng)的延遲時(shí)間，讓灰度傳感器得到及時(shí)反應(yīng)，最后通過(guò)左右兩組電機(jī)間的差速，來(lái)讓小車(chē)準(zhǔn)確轉(zhuǎn)向。下圖為循跡行駛中的機(jī)器人：

5.2 機(jī)械臂穩(wěn)定性
? ?? ? 最初設(shè)計(jì)了四軸的機(jī)械臂，由于懸臂結(jié)構(gòu)過(guò)長(zhǎng)，軸關(guān)節(jié)過(guò)多，造成穩(wěn)定性與精度不高。我們最終改用了兩軸的機(jī)械臂，如下圖所示，防止機(jī)械臂重量過(guò)大和重心過(guò)遠(yuǎn)，避免了結(jié)構(gòu)與運(yùn)行不穩(wěn)的情況出現(xiàn)。機(jī)械臂全部使用 270°舵機(jī)控制，結(jié)合升降平臺(tái)的高度調(diào)整，使得取書(shū)更加穩(wěn)定可靠方便。

6. 作品前景應(yīng)用

? ?? ? ① 通過(guò)搭載多頻段紅外傳感器、熱成像傳感器、室內(nèi) GPS 定位系統(tǒng)等傳感器，將圖書(shū)館及藏書(shū)信息導(dǎo)入機(jī)器人信息庫(kù)，輔以語(yǔ)音識(shí)別和檢索系統(tǒng)，智能圖書(shū)搬運(yùn)機(jī)器人將來(lái)在校園圖書(shū)館內(nèi)提供更加個(gè)性化、智能化的服務(wù)。
? ?? ? ② 通過(guò)優(yōu)化小車(chē)裝載結(jié)構(gòu)，讓機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型書(shū)籍的裝載，增大容錯(cuò)率，拓寬小車(chē)應(yīng)用范圍。
? ?? ? ③ 通過(guò)小車(chē)的二次開(kāi)發(fā)，應(yīng)用在大型體育館以及公共運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館等公共區(qū)域進(jìn)行物資搬運(yùn)。例如在高校突發(fā)疫情的時(shí)候運(yùn)送防疫物資，可大大地降低搬運(yùn)物資時(shí)間，保證物資能夠及時(shí)送達(dá)學(xué)生手中，減輕防疫人員的負(fù)擔(dān)。

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