小型自助图书馆自动取书装置设计.docx
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小型自助图书馆自动取书装置设计
摘要
图书自动取书装置是图书馆机器人的一种，是实现图书馆信息化与自动化融合的重要工具。
本课题研发一种适用于闭架借阅图书的图书馆图书自动存取装置。
该装置可以代替人工完成图书的自动上下架和整理工作，既减轻图书馆员的劳动强度，又提高工作效率。
本课题在分析图书自动上下架任务规划的基础上，设计基于直角坐标系的3自由度机械手，简单、实用的末端执行器。
论文的主要内容包括：
设计用于图书自动存取的直角坐标机械手及其末端执行机构，对机械手的结构设计进行校核和运动卞仿真；在SolidWorks软件坏境下对自动取书机械手进行三维建模及运动仿真。
关键词：
图书馆，自动取书装置，机械手
Abstract
Automaticlibrarybooktakingdeviceisalibraryofrobot，isanimportanttooloflibraryinformationandautomationintegration.Automaticaccesslibrarydevicetheresearchsuitableforclosedshelvingbooks.Thedevicecanreplacethemanualtocompletebooksautomaticallyundertheframeandfinishingwork，notonlyreducethelaborintensityoflibrarians，andimprovetheworkefficiency.
Thistopicbasedautomaticundertheframeofmissionplanninganalysisinthebook，thedesignof3degreeoffreedommanipulatorbasedonCartesiancoordinates，asimple，practicalendactuator.Themaincontentofthispaperincludes:
thedesignofCartesiancoordinatemanipulatorautomaticaccesstobooksandendeffectorfor，verifyingandmotionsimulationofthestructureBianrobotdesigninSolidWorkssoftwareenvironment；onautomaticbooktakingmechanicalhandforthreedimensionalmodelingandmotionsimulation.
KeyWords:
Library，automaticfetchingdevice，mechanicalhand
第1章绪论
1.1本课题研究的背景及意义
本课题研究一种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。
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。
因此，自动化技术和信息技术的有效融合，是未来图书馆的重要发展趋势。
中国已经进入老龄化社会，如果能将图书馆信息资理系统、图书自动存取系统和物流配送系统结合起来，可以实现读者居家借阅和归还图书的目标，满足高龄读者自由借阅图书的需要。
因此，研究和开发图书自动存取装置是一项有社会和经济价值的研究项目。
1.2图书馆图书自动存取装置的发展现状
目前，大部分图书馆都是利用人工整理、清点、查找和上下架阁书，耗费了大量的时间和劳动力。
为了提高图书馆自动化平，图书馆图书自动存取机器人应运而生。
目前，图书馆机器人主要用于图书的搬运和自动存取，自动存取的主要形式有3种:
①自助图书馆，它是基于书架的自动化，辅助自动传送系统来实现图书自动存取；②自动仓储式阁书馆，它基于移动搬运机器人与自动化立体仓库的配合，完成图书的自动存取；③移动式阁书馆机器人，它完全依赖于移动式服务机器人来完成图书的自动存取。
1.2.1自助图书馆
自助阁书馆是一种类似于银行ATM的迷你图书自助存取设备。
该设备的书库由若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（RadioFrequencyIdentification，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（AutomatedRetrievalCenter）设备首先在美国犹他州J.WillardMarriott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.WillardMarriott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。
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
（2）图书自动存取机器人
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（JohnsHopkinsUniversity）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（ComprehensiveAccesstoPrintedMaterials，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KhoHaoYuan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-GarijoR，PratsM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。
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、装配、上下料、码探、包装等制造业中。
直角坐标机械手结构简单、易于空间轨迹求解，但机械手体积较大，工作空间局限在一个长方体内。
柱面坐标机械手如图2-1（b）所示，它由一个旋转关节和两个平移关节组成，可提供X、Z两轴方向上的平移运动和Z轴方向上的旋转运动。
这种机械手的工作空间是一个圆柱面，所以称为圆柱坐标型机械手。
这种机械手被用于工件的装卸和搬运。
球面坐标机械手如图2-1（c）所示，它山两个旋转关节和一个平移关节组成，其运动模式与坦克炮塔类似。
机械手可以完成X、Z轴的旋转运动和X轴的平移运动。
这种机械手的结构紧凑，工作空间为球面的一部分，因此被称为球面坐标型机械手。
关节型球面坐标机械手如图2-1（d）所示，它山三个旋转关节组成，可以完成X、Y、Z三轴上的旋转运动。
其结构紧凑，工作时类似于人类的手臂。
这种机械工作空间大、应用广泛，常用于喷漆、装配、媒接等作业。
由于其工作空间为球面的大部分，因此被称为关节型球面坐标机械手。
表2-1典型机械手结构的比较
类型
工作空间
特点
缺点
应用
直角坐标型
长方形
运动直观性腔、控制简单
占地面积大、动作灵活性差
焊接、装配、上下料、码垛、包装
柱面坐标型
圆柱型
占地面积小、活动范围大、结构紧凑、定位精度高
负载能力差
装卸、搬运、装配
球面坐标型
球形
占地面积小、活动范围大、动作较灵活
运动控制较复杂
机器人点焊、搬运
关节型
近似球形
通用性强、动作灵活、范围大
运动直观性差、运动控制较复杂
喷漆、装配、焊接
典型机械手结构比较如表2-1所示。
采用关节取机械手，有助于增加机器人的平顺性和灵巧性，但成本较高、运动直观；控制较复杂。
而采用直角坐标型机械手成本低、控制简单是比较现想的方式。
根掘图书馆机器人的工作需要，安装在机械手上的摄像头要沿Y轴逐一对图书进行扫描，以寻找到目标图书。
观察几种不同结构的机械手，其中直角坐标机械手最易完成沿Y轴的直线运动，而其他机械手则需要借助移动平台的移动或复杂的控制来完成沿Y轴的直线运动。
因此，选择直角坐标型机械手更为合适。
在机械手末端安装上末端执行机构后，图书馆机器人便可以完成复杂的取书动作。
2.2总体方案选择
在对图书馆机器人进行结构设计吋，首先要考虑其工作坏境。
图书馆机器人进行图书自动存取的工作空间为两书柜之间，空问较狭窄，设计时必须限制机器人最大宽度。
另外，其可移动性、轻便性、易操作性、工作安全性、工作效率、外观等因素也是需要考虑的重要因素。
此外，还需要考成到其经济性。
降低制造成本需要从选材入手。
尽量选择批量生产标淮化、通用化和机器人模块化产品，这样可以随时对机器人做适到的改装，有利于旧产品的更新换代，既节约了成本，又缩短了生产周期。
在设计非标唯化零部件吋，耍注意设计简单的零件结构，合理规定公差等级，并考虑零件的加工工艺和装配工艺性。
总之，合理的功能实现、简约的结构设计、简雄的操作方法是机器人设计能否成功的关键。
本文设计的自动取书装置总体结构如图2-2所示，主要分3部分：
图书抓取机构，也就是末端执行器；垂直升降机构；水平移动机构。
图2-2自动取书装置总体结构图
目前主流的直线传动形式有丝杠螺母及齿轮齿条传动。
齿轮齿条传动—将旋转运动转变为直线运动，但是，这样的机构可以反向驱动，也就是齿条做直线运动来带动齿轮旋转，适合大距离的传递，如机床导轨底下带动托板箱移动的就是齿轮齿条传动。
齿轮齿条传动具有承载力大、传动效率较高等特点，传动精度较高，可达0.1mm，可无限长度对接延续，传动速度可以很高，>2m/s，
丝杆传动—也可以将旋转运动转变为往复的直线运动，直线运动的速度由丝杆的导程、以及丝杆转速决定，适合做精密的传动，如机床工作台的移动。
普通梯形丝杠可以自锁，这是最大优点，但是传动效率低下，比齿轮齿条形式低许多，所以不适合高速往返传动。
缺点是时间久了传动间隙大，回程精度差，用在垂直传动较合适。
在长距离重负载直线运动上，丝杆有可能强度不够，就会导致机器出现震动、抖动等情况，严重的，会导致丝杆弯曲、变形、甚至断裂等等；而齿条就不会有这样的情况，齿条可以长距离无限接长并且高速运转而不影响齿条精度（当然这个跟装配、床身本身精度都有关系），丝杆就做不到这一点，但在短距离直线运动中，丝杆的精度明显要比齿条高得多。
另外就是，齿条齿轮传动对于丝杠螺母结构设计来讲要相对简单一些。
通过以上分析不难发现，两种传动方式各有优缺点，针对本课题的设计要求，决定采用本次设计的自动取书装置升降单元采用滚珠丝杠副结构，平移单元采用齿轮齿条副结构。
2.3末端执行器的方案选择
机械手末端执行机构是图书馆机器人机械结构设计中最重要的设计部分，它的灵巧设计直接决定了机器人取书是否成功。
在取书过程中，末端执行机构需要完成图书的拨取与夹取两个动作。
因此，末端执行机构在设计时可分为两部分，夹书机构和取书机构。
机器人在取书时类似于人手取书的动作，一个手指将书从其他图书中拨取出来后，另外两个手指进行夹取。
设计时按照这个思路，将末端执行器设计成三指形式，一个手指负责取书，另外两个手指负责夹书。
图2-3所示为取书原理图。
图2-3取书原理图
取书机构专门用于取书动作，由一个取书手指组成。
当机械手执行取书任务时，首先将取书手指压在所取图书的书脊上部，给予一定的压力。
然后手指向后收回，只要摩擦力足够大，图书就会以书脊底部为轴，向书柜外侧旋转，拨取任务完成。
由于图书的尺寸厚度各不相同，在设计夹持机构时还需要注意对机械手手指的开闭范围的控制。
另外，控制夹持器的夹紧力也是非常重要的。
在夹持过程中，夹紧力过大，会导致能量的浪费；夹紧力过小，会导致所夹持书籍的松动，甚至脱落。
在夹持和传送质量较大的图书时，还需要考虑到惯性力和振动。
夹持机构的设计要在满足其功能性的前提下尽可能做到结构设计紧凑、重量轻，以减轻机器人其他机构的负载。
2.4运动部件的驱动方案选择
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。
电机驱动方式无烟尘、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有:
直流伺服电机、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。
在自动取书馆机构中，水平伸缩运动（X轴方向）及升降运动（Z轴方向），均采用滚珠丝杠传动方式实现直线运动。
水平平移运动（Y轴方向）采用齿轮齿条传动方式实现直线运动。
以水平伸缩（X轴方向）运动为例，滚珠丝杠螺母的电机通过减速器后，将力增加，将动力传递到联轴器上，联轴器又将力传送到滚珠丝杠上，滚珠丝杠与机械手X轴上的螺母相连，带动升降机构等沿X轴运动。
由于机械手末端执行机构安装位置的原因。
2.5本章小结
本章对图书馆图书自动存取装置的机械结构做了方案对比和选择，并进行了详细的机构设计。
图书馆图书自动存取装置的机械机构可分为移动平台、图书存取机械手及其末端执行机构两部分。
按照图书自动存取机器人的功能要求，设计出简单合理的机械结构，是图书自动存取机器人机械机构设计上的重点。
在满足功能要求的前提下，选用适当的传动机构、型材、电机及减速器，也是图书馆机器人设计是否成功的关键。
第3章自动取书装置的机械结构设计
3.1末端执行器设计
需要完整图纸及论文，请联系QQ545675353，另接定做毕业设计
图4-7自动取书装置的三维模型
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