图书馆机器人应用研究综述

□王展妮 张国亮



图书馆机器人应用研究综述

□王展妮 张国亮

总结近年来机器人技术在图书馆的应用现状，指出构建图书馆机器人系统亟需掌握的三项主要关键技术，深入分析每一项技术的研究特点，并展望该领域今后的发展趋势。

图书馆机器人 无人搬运车 自动存取中心 电子标签 机器人导航

1 引言

近年来，随着大型图书馆的高速发展，现有的人工操作和管理模式与迅速增长的馆藏形成了鲜明的矛盾。在传统的工作模式下，图书馆工作人员每天必须耗费大量的时间和精力用于分类、整理、上下架和搬运等单调而重复性的工作。虽然图书典藏和自助查询等工作目前已可借助网络信息化部分实现，但图书的采编、咨询和借阅等方面仍需要人工完成[1]。机器人作为一种高效的自动化设备，在汽车、机械、航天等现代制造业发展中发挥了巨大的作用。因此，如何将高效的机器人应用于图书馆日常管理和服务，以减轻当前图书馆人员劳动强度大、效率低下的问题，成为当前图书馆智能化研究的热点问题[2]。近年来，国外的一些研究机构已对图书馆机器人的可行性进行初步的尝试，并有一些成功应用，如英国国家图书馆建立的高科技藏书库，可将700多万册图书的保管和检索全部交由机器人完成，不需要图书管理员参与其中[3]。德国洪堡大学、美国芝加哥大学、犹他州大学、日本早稻田大学等高校也建立了类似的图书馆机器人系统[4][5]，而国内的这一领域仍停留在理论研究阶段，尚无一例实际应用的机器人馆员出现。

由于图书馆机器人学科跨度大、综合应用性强，近年来虽有一些相关文献出现，但多是从图书馆信息管理和书库改造等方面探讨其可行性，很少从机器人应用角度对具体涉及的技术进行详尽的阐述。为此，本文在系统分析国内外图书馆机器人研究工作的基础上，提出构建图书馆机器人亟需面对的三项关键技术，并对各项技术的研究特点进行了细致深入的分析，希望能起到抛砖引玉的作用，为我国早日应用机器人馆员奠定技术基础。

2 国内外图书馆机器人应用现状

按照系统功能的不同，本文将图书馆机器人分为自助图书馆的辅助机器人系统、机器人与立体仓库的结合应用系统、无人搬运车(Automated Guided Vehicle，AGV)的图书搬运机器人系统和全自主智能图书存取机器人系统、智能参考咨询机器人五种形式。

2.1 自助图书馆的辅助机器人系统

自助型图书馆最早出现在美国，是近年来兴起的一种面向少量读者的迷你型图书馆(见图1)。与银行的ATM机类似，这类图书馆不需要人工服务，图书的借阅和归还完全由读者独立完成，其后台书库由具有一定移动能力的小型机柜构成，根据窗口配置的不同，可独立实现图书的自动存取操作。近年来，我国各地已陆续建立了许多面向不同应用的自助图书馆，如首都图书馆北门的自动图书馆，香港科技大学的自动图书馆等[6]。

图1 迷你型小型图书馆

与传统的人工借阅图书馆相比，自助图书馆的优势在于无需人员干预就可实现即时服务，降低了图书物流和人力成本，还可提供24小时的图书借还服务。然而，自助图书馆多采用固定的箱储式结构，有限的存储空间使得图书馆容纳的图书非常有限，同时，具有灵巧操作的机械手应用也较少，借还书多采用类似传送带的简单进给机构，智能化程度较低。

2.2 机器人与立体仓库的结合应用系统

为提高大型图书馆的自动化处理能力，一些图书馆借鉴了工业码垛机器人的操作特点，提出面向立体仓库的应用形式。如美国犹他州维拉德·麦若特图书馆提出可容纳200万册图书的自动存取中心(Automated Retrieval Center， ARC)概念。美国芝加哥大学的曼索托图书馆基于ARC思想，提出了机器人堆叠书库管理系统[4]，在对书库进行立体化改建后，利用变位机和码垛机器人共同完成图书的存取，收藏图书可达350万册，而占地面积仅为常规书库的七分之一。

与工业机器人应用类似，ARC的工作效率和自动化程度非常高，但系统的可靠性仍有一定缺陷，当自动化系统发生故障时，可能出现整个书库需要重新启动的尴尬。另外，高昂的系统造价使得ARC很难在普通图书馆广泛应用，我国目前还没有图书馆使用这类设备。

图2 ARC

2.3 AGV的图书搬运机器人系统

AGV指装备有电磁或光学等自动导引装置，沿规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车。AGV最早应用于仓储业的出入库货物自动搬运，目前已成为自动化物流系统及企业自动化装备中不可缺少的重要组成部分。AGV具有并行作业、自动化程度高等操作特点，恰好满足了图书馆图书存取作业强度大、流程经常调整以及搬运过程单一的应用需求[7]，具有代表性的系统是德国洪堡大学图书馆(见图3)和日本大阪市立大学图书馆(见图4)的AGV图书馆机器人。

德国洪堡大学图书馆AGV系统[5]可在服务总台与各功能区之间自动传送需要上架和分检的图书，以中央阅览室四周钢柱上的金属感应条为循迹的依据，将图书收纳箱自动装卸在固定的位置。这一系统不仅可以在同一楼层工作，还可出入电梯，在不同楼层之间搬运图书。该机器人系统共耗资38万欧元，相当于该馆7个图书馆员的年薪。

图3 德国洪堡大学机器人在总服务台卸载书箱

与德国洪堡大学图书馆不同，日本大阪市立大学图书搬运机器人没有在地面铺设导轨，机器人的导航由埋设在地面下的磁导引线实现。读者阅读后可直接将图书放在书籍收纳箱上，AGV小车会根据指令自动行驶到收纳箱旁，利用托起机构将其并搬运至指定的存放地点。

图4 日本大阪市立大学图书馆搬运机器人

与价格高昂的立体仓库相比，AGV可在不改变图书馆书库空间结构的前提下，自动完成图书的搬运和放置等重复性工作，但这类机器人系统并不能完成图书的自动上下架操作，图书整理和上下架等后续工作仍需要由人工完成。不过，由于该系统具有结构简单、工作效率高、价格低廉等优势，目前仍然是普通图书馆进行自动化改造的主流构建方案，欧美等许多大型图书馆都已建立了各具特色的AGV图书搬运系统，但我国尚未见到实际应用的案例。

2.4 全自主智能图书存取机器人系统

全自主智能图书存取是指具有自动完成图书搬运、存取、上下架和整理等一系列操作的机器人系统，由于涉及的智能化和自动化程度非常高，这种系统目前尚处于研究探索阶段，具有代表性的应用主要有综合获取印刷资料(Comprehensive Access to Printed Materials, CAPM)和西班牙海梅一世大学(Universitat Jaume I，UJI)系统。

CAPM系统是由美国约翰霍普金斯大学研制的面向异地图书存取的应用研究项目[8](见图5)，主要包括移动装置、机械手、升降装置和视觉等几部分。当用户请求异地馆藏的书籍时，检索机器人首先会自动检索书库，找到想要的项目，并把它传递到一个页面自动转换扫描系统，系统将在用户的要求下自动翻转书籍的页面。扫描完成后，检索机器人会将书归还书库或进行实物交付。CAPM突出的特点是即使是大学以外的用户也可以异地浏览馆藏材料，使数字化需求成为现实。但CAPM对于书架的要求较高，为了保证机器手夹取图书的可靠，需要采用类似文件夹的装置使图书保持直立，同时图书之间需要松散放置，以保证夹取时留有充足的空间[9]。

图5 霍普金斯大学图书馆机器人

针对书架适应性问题，西班牙卡斯捷罗大学的拉莫斯·加里霍等人提出综合多传感信息的UJI[10-11]图书存取机器人。UJI的机械系统与CAPM类似，其不同之处在于图书存取集成了多种传感信息，当UJI收到读者提出的图书查询请求后，首先利用从数据库中取得图书的存放位置信息行驶到书架旁边，然后利用红外和激光传感器对4米范围内的全部图书进行扫描，将机器人定位到所需图书附近，最后利用手爪上的手眼机构抓取指定图书。由于手眼视觉的定位非常准确，因此对于书架及图书之间的紧密程度的要求并不高，较适宜在传统图书馆中推广应用。

图6 UJI图书馆机器人

2.5 智能参考咨询机器人

人工咨询服务形式已在图书馆系统应用多年，由于图书馆咨询馆员的人数有限，虽然在正常工作时间能够较好地开展实时咨询服务，然而在非工作时间或节假日期间，往往无法满足咨询服务的需求。近年来，随着人工智能、机器学习等新兴技术的发展，一种基于自动化处理思想的自主读者咨询服务软件正悄然升起，目前这一领域主要可分为三类：数字参考咨询软件、IM即时通讯软件和用户定制软件。其中，IM 软件因其用户基础广泛、交流形式便捷和成本低廉等优势受到了一些高校图书馆的重视，如清华大学图书馆的“小图”和上海交通大学图书馆的“小交”是其中比较具有代表性的软件。小图是基于人工智能标记语言 (Artificial Intelligent Marker Language，AIML)的人工智能机器人软件，通过积累AIML语料库实现人机对话，并使机器人具有记忆和学习能力。小交是基于MSN的智能聊天机器人，具有自主聊天、资源查询、学科导航和借阅提醒等功能。另外，基于语音服务的研究方向也逐渐被引入到咨询服务当中，如苹果公司的“siri”软件和微软公司的“小娜”都是其中典型的代表。

3 图书馆机器人关键技术

通过比较近年来应用于图书馆的机器人系统可以发现，尽管国外提出了一些系统设计思路，但目前尚无一套完备成熟的技术和装备能够在图书馆领域推广，国内在这方面的研究更是基本处于空白。究其原因，主要是因为具有一定自主能力的机器人馆员是一种高度复杂的智能机器人系统，其研究内容不仅涉及到图书馆自身的信息服务，更涵盖定位、导航、控制等多学科领域，而目前在我国的图书馆同时具备自动化、信息处理及图书情报综合背景的研究性人才非常匮乏，多数的图书馆员只具备单一的学科背景知识，因此很难从全局的角度设计和规划系统。为此，笔者结合机器人学和图书馆日常工作的应用背景，提出建立图书馆机器人系统需要掌握的三项主要关键技术：图书定位、机器人导航和书籍拾取机构设计。按照人工图书检索的思路，分别对应为图书在哪、如何找到图书和图书拾取三项内容。

3.1 图书定位技术

图书定位目前主要分为条形码结合磁条定位和射频识别(Radio Frequency Identification，RFID定位两类[12]。条形码是将宽度不等的多个黑条和空白，按照一定的编码规则排列，用以表达一组信息的图形标识符。根据扫描原理的差异，识别可以分为光笔、CCD和激光三种。条码技术具有速度快、可靠性强、寿命长、成本低廉等特点，因此，目前国内绝大多数图书馆都采用条码识别作为图书流通和信息采集的工具。不过，条码识别的防盗功能较差，读者如撕下条码，即可轻易将图书带出图书馆。为了安全起见，许多图书馆在书脊内植入磁条以加强防盗功能，但手工植入磁条，对于上百万本藏书的大型图书馆而言，劳动强度非常大。

条形码对于书籍辨别非常有效，但却不适于机器人图书馆应用。首先，目前图书馆内普遍使用的一维条码仅对图书进行标识，涵盖信息非常少，而机器人要想准确定位到图书需要大量的细节信息。其次，为有效识别，扫描器必须直接对准条形码，中间不能有阻挡，这为机器人定位书籍带来了相当大的难度。

基于无线射频技术实现的RFID自动识别弥补了条形码存在信息储存量小、识别单一及识别距离有限的缺陷。RFID，俗称电子标签(见图7)，具有小而薄、柔韧性好、可植入和可读取的特性。RFID标签能够在阅读器的作用范围内被读取(若干厘米到1千米)[13]，不仅避免了遮挡无法识别的困难，而且消除了上磁、消磁及磁条磁性弱化等问题[14]。在图书馆应用领域，新加坡国立大学图书馆是最早开展RFID技术的图书馆，并在2002年提出了基于RFID定位技术的图书馆机器人[15]，不过，该系统需要对书架进行改造，其设计思路没有得到广泛应用。随后，美国、加拿大等过也相继对这项技术开展了研究。我国目前已有一些采用RFID代替条形码进行信息采集的图书馆，如集美大学诚毅学院图书馆、深圳图书馆新馆[16]，但尚未有将RFID与机器人结合应用的报道。

目前来看，将RFID技术用于机器人定位图书主要有两点困难，其一是RFID的作用距离与系统成本的矛盾。为保证携带RFID扫描设备的机器人能够远距离无遮挡识别图书，其工作频率需要设定较高，而高频RFID标签体积非常大，隐蔽性能较差，可能会给图书的安全带来隐患，但如果将识别标签的外形尺寸减小，又会提高成本，对于需要植入大量标签的图书馆而言，难以实现。其二是目前采用RFID作为机器人室内定位时，其精度范围仍有待提高。普通型RFID最小定位误差在2～3米[17]左右，对于书脊宽度为10mm左右的图书，显然是难以满足要求的。因此，为提高识别精度，有学者尝试将机器视觉技术与RFID技术结合，实现不同范围的联合定位，即首先用RFID粗定位图书所在的大致范围，然后用机器视觉对图书进行精确定位，如美国李等人利用视觉模式匹配方法对图书书脊进行识别[18]。视觉方法的优点是能够实现小范围精确识别，不足之处是检测方法会受到光照、遮挡等因素的影响。因此，如何有效综合这两种方法，是有待学者深入研究的课题。

图7 RFID标签

3.2 机器人导航技术

机器人导航是实现图书馆机器人应用的关键。在导航控制领域，有多种方法可用于机器人自主导航，如电磁导引、磁带导引、光学导引、激光导航、惯性导航和视觉导航等[19][20]。不管采用哪种导航方式，导航成功与否的关键是对于环境信息的理解与运用。相比于一般的导航问题，图书馆机器人导航有其特殊之处。首先，图书馆的结构环境是基本固定的，图书馆空间布局及书架位置都是在较长时间内没有变化的，这些结构信息能够为机器人导航提供非常大的便利条件。其次，导航系统中的可变因素主要是图书和读者信息，而这些信息在图书馆的管理系统中也是可查询和检索的。因此，图书馆机器人的导航问题可以归结为不完全非确定环境下的导航应用问题，从技术难度上来讲并不难实现，其关键问题是如何提高路径导航的准确性和快速性。从目前一些实际应用的项目来看，对于一般的图书馆，基于人工路标的导航方式可行性较好，如日本大阪市立大学图书搬运机器人就采用这种方式。这种路标可采用在地面铺设电磁导引线或光学可识别标记的方式，使机器人按照确定的轨迹运动。为避免人工路标受到环境的影响，可以采用埋入地面结合空间布设导引线的应用形式。

3.3 机器人拾取图书的机构设计技术

机器人拾取图书的机构对于图书馆机器人的应用至关重要，从目前已应用的一些项目来看，主要采用了结合移动平台、单臂和手指夹持的机构设计方案。

3.3.1 机器人移动平台设计

按照运动实现方式不同，机器人的移动方式通常有轮式、履带式和多足式三种[21]。由于轮式机构具有运动平稳、移动效率高和控制简单的特点，比较适合作为图书馆机器人的移动平台。按照轮子在底盘空间布局的不同，轮式机构可分为两轮、三轮、四轮及多轮的结构[22]。轮子布局设计主要需要考虑系统的平衡性和机动性两方面。一般而言，三个轮子足可以保证平台稳定，因此三轮以上的系统一般不需要考虑平衡性问题，两轮系统虽然转向非常灵活，但必须给予初始惯量才能保证系统平衡，一般不适宜应用在图书馆。从机动性考虑，三轮和四轮都是可供选择的方案，三轮机构可以选用后双轮差动驱动、前轮万向转动的运动形式，这种结构可以基本实现零转弯半径，非常适合在室内狭小的空间中运动。四轮结构主要有两后轮驱动两前轮导向和四轮驱动两种，其机动性和平稳性优于三轮，但转弯半径较大。

3.3.2 拾取手臂的机构设计

图书拾取手臂主要可分为两类，一种是直角坐标垂直升降臂，一种是类似工业机器人的多自由度关节型机械臂[23]。前者的优点是结构简单，不需要繁琐复杂的运动学计算，但是操作空间的范围有限，后者可以充分利用工业机器人已有的一些研究基础，在操作范围和精度方面具有优势。除了需要考虑操作空间和控制精度，系统平稳性也是手臂结构设计需要重点研究的问题。由于臂/手在上下架拾取图书时，系统静态平衡被打破，可能存在倾覆。因此，在系统中加入一定的配重或采用具有降低重心的结构是保证系统平稳运行的关键。

3.3.3 夹持器设计

机器人在拾取图书时，图书的摆放主要有两种情况，一种是图书之间有间隔，另一种图书之间紧密排列。对于稀疏摆放的图书，末端执行器只需要一个双指夹持机构就可完成图书的夹取和放置等动作。但对于图书紧密而有序排列的情况，情况就复杂得多。为使机器人在拾取图书的过程中不对周边其他的图书产生影响，需要在末端执行器上加入力觉感知，以提高夹持动作的柔顺性和灵巧性。具有六维力传感的多指灵巧手是理想的夹持方案[24]，但造价较高，一种可行的方案是在两指夹持之上附加一个拨书机构，避免在抓取操作时与其他书籍发生刚性碰撞。

4 图书馆机器人的发展趋势

图书馆机器人的出现为图书借阅自动化奠定了良好的基础，然而，将机器人应用于图书馆是一个涉及资金、设备、技术和服务的综合系统工程。从目前的研究发展来看，笔者认为，可以从以下几方面开展适合我国国情的实用型图书馆机器人研究。

4.1 基于物联网的智能书库和机器人技术的联合应用

将物联网与机器人技术结合应用，一方面能够从根本上解决物理实体的自动识别、互联访问、自动管理，尤其是图书的自动精确定位等问题；另一方面，利用物联网技术对传统图书馆的建筑、书库和书架等基础设施的改造成本较低，可在较少的资金投入情况下，建立以机器人自动化为核心，以信息和网络技术为媒介的智能化图书馆管理模式。

4.2 多智能体机器人系统在图书馆的应用

多智能体技术融合了计算机科学技术、网络与通信技术、控制科学和人工智能等前沿领域。目前在图书馆机器人应用领域，仍以单个的移动机器人为主要的服务载体，将移动机器人和多智能体相结合，能够实现单机器人无法实现的工作，如机器人自定位、协作搬运和导航、多任务分配等。虽然多机器人的规划和导航要比单机器人复杂的多，但从长远发展的角度来看，多智能体机器人应用必然是今后图书馆机器人发展的一个主要方向。

4.3 面向特殊服务的设计方案

目前应用于图书馆的机器人多借鉴了工业机器人的机构设计方案，并没有专门应对图书服务的专业型机器人出现。与一般的工业机器人的操作不同，机器人在图书馆经常要面对许多特殊的服务，如非常薄的书页翻页、不同厚度的书籍夹取及书页内容的扫描及识别等。这些特殊的应用为现有的机器人机构设计体系提出了新的挑战。因此，设计具有专业化，能够满足图书馆特殊应用需求的服务机器人是值得研究者进一步研究的课题。

5 结语

机器人是实现图书馆作业自动化和智能化的良好载体，具有广阔的应用前景和发展潜力。本文对图书馆机器人的研究现状及关键技术展开了系统的总结与评价，其研究成果对当前机器人在图书馆的应用具有一定的参考价值。

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Survey of Robot Application in Libraries

Wang Zhanni Zhang Guoliang

Firstly, this paper reviews the recent research situation of robot technology application in library. Then, it points out three major technologies of library robot, and presents a detailed analysis for each technology. Finally, the technology development trends of library robot are described.

Library Robot; AGV; ARC; RFID; Robot Navigation

王展妮，ORCID：0000-0003-1268-3841，26262423@qq.com。

华侨大学图书馆, 厦门, 361021

2014年11月13日