基于手指仿生的自动取书装置设计_孙苗雨.pdf

dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术140|基于手指仿生的自动取书装置设计孙苗雨（通信作者），夏贺起，杨雅涵，李宸，徐晓龙，李媛辽宁科技大学，辽宁鞍山，114051摘要：信息化与智能化时代已经到来，图书馆对于图书的存取却仍需人工手动完成，浪费大量人力物力。对于这种现状，本文设计了一种自动取书装置。该装置主要应用于图书馆，用来实现图书的自动存取功能，是实现图书馆信息化与智能化相融合的装置，不仅能节约大量人力物力，而且能够显著提高取书效率。本装置是在分析图书馆图书布局以及仿生实践下设计的，具有多个自由度高的机械爪以及能够定位运转的智能小车。本文的主要内容包括：对机械爪和伸缩架的设计，对智能小车的定位设计及程序，以及在solidworks环境下对自动取书机器人的运动仿真。关键词：图书馆；仿真；自动化；智能化机器人中图分类号:Q811.211文献标志码:ADOI:10.19772/ki.2096-4455.2023.1.033 0引言随着云计算、物联网、人工智能等的快速发展，智慧图书馆随之出现。如今，不仅许多城市的图书馆都在创新应用数字化、智能化借阅系统，而且不少城市的街头也建起了许多小型的24小时智慧图书馆。这类智慧图书馆将信息化与数字化结合起来，通过大数据技术，能够快速实现智能借取，且无需人工登记。但此类图书馆仍需读者自行寻找所需图书，浪费大量人力和时间。由于以上因素，需要设计一种自动取书机器人，通过扫描规定书籍的二维码迅速定位书籍所在位置，完成指定取书动作，做到零误差零破坏。本项目主要研究一种自动取书机器人，通过大数据技术扫描迅速定位并移动到指定位置，通过伸缩架、智能定位小车与仿生机械爪的配合实现取还图书功能。该机器人具备避障、智能反馈图书信息、无痕抓取等功能。它的伸缩架可以实现机器手臂的高处操作，也可以同时完成定位、扫描、取书的工作。三指机械爪及程序实现用人指仿生来对书送取。机械爪添加了旋转固定装置，实现对书籍的保护和平稳取送，在夹书的两个爪上加入两个可转的固定装置，实现将书从倾斜到平放的纵向旋转，从而实现对书籍的保护和更平稳的送取。这样不仅能大大节约时间，而且能节约大量人力物力，也能给读者带来良好的借阅体验，促进我国智能行业的发展。1系统原理1.1基本架构该机器人包括麦克纳姆轮、亚克力板、电池、单片机、电路板、夹板、旋转垫片、仿生手指、扫描系统、伸缩托板、夹板滑道、仿生指节、旋转轴、支撑架、伸缩架、电机、6自由度机械臂。智能小车电池位于亚克力板底部，亚克力板置于麦克纳姆轮上，同侧麦克纳姆轮中央设置有电路板及单片机控制小车运动。亚克力板与智基金项目：本文系辽宁科技大学大学生创新创业训练计划省级项目基金资助（立项编号：238）作者简介：孙苗雨，女，辽宁兴城，汉族，本科，研究方向：机械；夏贺起，男，内蒙古锡林郭勒，汉族，本科，研究方向：机械；杨雅涵，女，河南南阳，汉族，本科，研究方向：机械；李宸，男，辽宁葫芦岛，满族，本科，研究方向：机械；徐晓龙，男，辽宁康平，汉族，本科，研究方向：机械；李媛，女，硕士，讲师，研究方向：机械。电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|141人工智能与智能制造能伸缩架相连，伸缩架可由编程实现高低升降。伸缩架顶部连接6自由度机械臂，机械爪夹板内侧设置有旋转垫片，夹板在夹板滑道上实现夹取动作，仿生手指固定在机械爪上部。1.2智能小车智能小车（如图1）主要由1麦克纳姆驱动轮、2亚克力板、3电池、4单片机和5电路板组成。智能小车主要由前面两轮进行驱动，当左轮运行速度高于右轮时，小车进行右转弯；同理，当右轮运行速度高于左轮时，小车进行左转弯。四个轮子为麦克纳姆轮，由于其独特的运行方式，可以使小车在任意方向上进行平移和旋转，具备多种行走方式如直行、斜行、横行、s型行进等，也可以使其在狭小的空间内进行准确定位。由于麦克纳姆轮自身结构的特性，可以采取点动式微调使小车能够平稳地进行高精度定位。为了完成智能小车的避障功能，我们采用了超声波避障传感器。近年来，随着移动机器人、无人驾驶汽车以及无人机的发展，对避障传感器需求越来越多。传统的可用来避障的传感器有毫米波雷达、激光雷达、双目视觉传感器、超声波传感器、红外测距传感器、激光测距仪、光电漫反射传感器、视觉传感器等等。为了寻求高性价比并且能够高度实现其功能，我们采用了超声波避障传感器。该传感器通过发射声波，感应障碍物的位置并进行避障1。图 1智能小车1.3机械爪机械爪（如图2）主要由6夹板、7旋转垫片、8仿生手指、9伸缩托板、10夹板滑道和11仿生指节构成。它基于仿生所设计，由三个仿生手指组成。其中中间的手指位于偏上方，由于较灵活，能够使所需图书向下偏斜，同时位于偏下方的两侧手指与中间手指相配合，夹住图书，从而完成夹取操作。设计手指机构为弹性四连杆机构，每个手指由六个构件组成，分别为远指节、中指节、近指节、摇臂构件、中指节弹性拉杆和远指节弹性拉杆。抓取和操作过程中，手指接触被操作物体之前两根弹性拉杆都可以看作是刚性杆，手指各关节按固定的轨迹作自由运动。在接触被抓取物之后，手指局部关节运动受限，此时两根弹性连杆的弹簧均被压缩，连杆产生变形，中指节和远指节作被动顺应运动，直至贴合物体表面2。对于仿生手指的设计，我们主要采取关节运动的驱动方式，主要方法为驱动器的输出轴与机械手指相连进行控制。图 2机械爪1.4伸缩架伸缩架（如图3）主要由12旋转轴、13支撑架、14亚克力板和15伸缩架组成。取书输送带左侧设置有取书辊轴，取书辊轴两端设置有取书摩擦轮，取书辊轴上转轴连接有摆臂，摆臂另一端轴承连接有传动轴，传动轴两端均设置有传动摩擦轮，传动摩擦轮和取书摩擦轮啮合传动，通过智能小车带动取书输送带到指定区域，通过升降机架驱动取书输送带到指定高度，当电动推杆活塞杆伸出时会推动传动摩擦轮压在储书输送带上的储料摩擦轮上，当取书输送带转动时会通过取书摩擦轮、传动摩擦轮和储书摩擦轮带动储书输送带一起转动，从而可将储书输送带上的图书转移到取书输送带上，图书取放简单方便，工作效率大大提高3。dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术142|图 3伸缩架1.5机械手臂机械手臂（如图4）主要由16电机、17六自由度机械臂和18亚克力板构成。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机器人的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般机器人有23个自由度。控制系统是通过对机器人每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机等微控制芯片构成，通过对其编程实现所需功能4。图 4机械手臂2功能实现2.1项目功能需求首先是具备检索图书的功能。借阅者通过向管理人员处搜索所需图书编号或二维码，将其对准机器人扫描位置进行扫描或手动输入图书编号，机器人迅速反应并获得该图书信息。其次是能够定位图书所在位置。机器人通过自主定位图书所在位置，按正确的规划路线行走，通过超声波避障传感器感应，避开障碍物找到图书所在位置。在寻找图书过程中，若出现偏差则立即调整。通过机械臂、机械爪等配合，夹取图书，并将图书平放至托盘处，在此过程中平稳缓慢地夹取以保证图书的完整性。最后是具备及时反馈。机器人按来时路线，回到原位，在此过程中如若不小心将图书遗失，则立刻反馈警报信息给工作人员处理，若无其他纰漏，则回到位置，借阅人员取走图书，完成操作。2.2智能小车功能实现为了完成智能小车的避障功能，我们采用了超声波避障传感器。该传感器通过发射声波，感应障碍物的位置并进行避障。相比红外线避障传感器，超声波避障传感器的精度要低一些，对于大风等恶劣天气适应能力低。但考虑到研究项目应用于图书馆室内，超声波传感器具有良好的抗干扰性、灵敏度和稳定性，故该传感器更为适用。对于智能小车与伸缩架连接的材料，我们选取了亚克力板。亚克力板不仅抗老化性能好，且加工性能良好，既适合机械加工又易热成型，并且有良好的硬度，能够很好地承载其他结构5-6。2.3机械爪功能实现在机械爪夹板内侧设置有旋转垫片，主要功能是使图书平置，便于稳定准确地将图书放置于托盘中，并且旋转垫片具有一定的粗糙度，能使机械爪更加稳定地夹取图书。手指具有较好的形状适应性，即对于不同几何形状的操作物体，采用单一驱动即可使手指较好地贴合物体表面，实现稳定的包络抓取。对于仿生手指的设计，我们主要采取关节运动的驱动方式，主要方法为驱动器的输出轴与机械手指相连进行控制。这种方法的优点是驱动器与关节之中的机械系统较少，能够减少摩擦等的影响，很好地控制仿生手指的一系列操作7。2.4伸缩架功能实现当取书输送带转动时会通过取书摩擦轮、传动摩擦轮和储书摩擦轮带动储书输送带一起转动，从而可将储书输送带上的图书转移到取书输送带上，图书取放简单方便，工作效率大大提高。伸缩架采用平行四边形铰链伸缩机构。平行 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|143人工智能与智能制造四边形不像三角形、矩形那样具有良好的稳定性，但正是因为这样，平行四边形具有良好的压缩性，更能满足伸缩的需要。2.5机械手臂功能实现机械手臂采用了轻质器件、高功率微型马达，提高了速度，采用高质量、高性能谐波减速机，在运行过程中不断重复定位，保证了精度。各轴间完全密封，适合在图书馆人流量大、障碍物多的环境中使用。它可以自由编程，完成全自动化的工作，提高生产效率。它还具备6个自由度，可以实现多方位多角度的图书抓取。2.6功能实现流程步骤首先通过扫描系统获得图书信息，智能小车迅速规划路线定位到图书所在位置，到达规定位置后，伸缩架按照图书位置的高低进行调整，同时机械手臂开始工作，机械爪的中间手指使图书倾斜后与其他两个手指配合夹取图书，并通过旋转垫片将图书平放置托盘处，感应到操作完毕后，机器人迅速做出反应，智能小车再次规划返回最佳路线，回到原处后，借阅人员拿走图书，机器人再次回到初始状态。3基于solidworks的三维建模自动取书装置的三维建模如图5所示。4结语图书馆是搜集、整理、收藏图书资料以供人阅览、参考的机构，图书馆有保存人类文化遗产、开发信息资源、参与社会教育等职能。然而，现有的图书馆服务技术在查询图书位置时，只能获取到图书编号，按编号查找，查找速度慢、效率低；同时通过人工整理图书，工作量大，效率低。随着时代的发展，自动取书机器人代替人力，帮助读者完成存取工作，大大节省了时间并提供了便利。本文介绍了一种自动取书机器人，对系统的组建和功能进行了详细的阐述，对现有同类型机器人的欠缺之处进行了补充，对几个关键问题也进行了解决。试验结构证明，该机器人具有良好的实用性以及兼容性，基本可以实现图书馆自动取书功能，在多种环境下均可使用。参考文献1 刘得权,李政清,王榜,等.智能小车环境感知系统的设计J.山西电子技术,2022(01):16-18.2 茅一春,朱向阳,李顺冲,等.一种新型欠驱动拟人机械手的设计J.机械设计与研究,2008(03):33-38.3 解创军.新型双伸缩式板坯锯边运输机概述J.中国人造板,2013,20(06):20-23.4 孟韶南,梁雁冰,师恒.基于ROS平台的六自由度机械臂运动规划简J.上海交通大学学报,2016(S1):4.5 董涛,刘进英,蒋苏.基于单片机的智能小车的设计与制作J.计算机测量与控制,2009(2):3.6 唐渊,周汝,段武斌,等.基于单片机控制的红外线与超声波混合避障智能小车J.中国设备工程,2018(12):179-180.7 本刊综合.柔性机械爪J.发明与创新(高中生),2022(06):52.图 5自动取书装置