情景共融环境下图书馆盘点机器人的发展研究*

沈奎林，邵 波，陈力军

（1.南京大学图书馆，江苏 南京 210023；2.南京大学计算机科学与技术系，江苏 南京 210023）

技术的发展推动行业的转型和跨越式发展。从数字图书馆到智慧图书馆的发展，每一步都在见证技术的进步推动行业的发展。人工智能、机器智能、深度学习、情景感知、智能交互等等技术的应用，推动了图书馆的智慧服务手段：智能推荐、语音识别、空间感知、人脸识别、虚拟导航、机器人等，越来越多的图书馆在尝试将这些新技术新理念引入图书馆的服务当中。图书馆智能盘点机器人即是这个行业的典型代表。

1 盘点机器人的研究和应用现状

机器人的应用十分广泛，从设备制造到农业检测，从物流服务到家政服务，从电子商务到电子政务，各种形态的机器人参与其中。但是在图书馆行业，机器人的应用时间并不长，国内外的相关学者和图书馆从业人员一直在探索和研究。智能盘点机器人的出现解决了图书馆图书盘点、图书错架、图书误排、图书被偷藏等问题。樊慧丽和邵波［1］回顾了图书盘点技术发展历程,对智能机器人图书盘点的优势、局限和未来发展进行了实证分析和思考。沈奎林［2］等人基于超高频RFID技术,研制开发了智能图书盘点机器人,在应用中取得了较好的效果。倪劼［3］探讨了使用RFID 设备进行图书盘点的关键技术。认为使用该设备将大幅降低图书馆员在图书盘点工作中所花费的时间,在一定程度上能够促进图书馆服务方式的转变。刘建峰［4］将RFID 技术与机器人技术相结合,提出设计一款能够自动完成盘点的机器人,并对其结构进行了设计与仿真研究。张宣政［5］设计研究一种书库自动盘点机器人小车,利用超声波测距作为导引方式,拥有自动避障功能,来实现在图书馆书库中自动导引行走的功能,同时在小车底盘上设计了一种电机驱动的牙嵌式离合器结构,可方便地进行人力推行和自动行走两个状态之间的转换。陈力军［6］等人设计了一种基于RFID 技术的自动式图书智能盘点机器人，利用RFID 技术中的自动识别技术和射频相位技术，以及机器自动化技术，实现了自动化全馆图书盘点功能，并且精确快捷地实现图书馆图书盘点，从而使得图书管理人员可以方便、迅速地查找和管理图书。陈慧香和邵波［7］调研了国内外图书馆领域机器人的相关文献,梳理出图书馆机器人的发展历程,借鉴其他领域先进的机器人技术,展望智慧图书馆时代图书馆机器人发展的趋势。张文竹和邵波［8］预测未来图书馆机器人的推广应用将更加规模化,更加注重与人工智能技术融合,具有更强的硬件设备与运动能力,并更加注重人机协作。Thomas Guthrie Zimmerman［9］以零售店商品的盘点为例，详细说明了商品盘点信息和图片数据库的生成过程和关键技术。这些研究成果给图书盘点提供了有益的借鉴。Morenza-Cinos M［10］等人提出了一种新的机器人，用于在零售店中清点和定位所有产品，而无须安装任何固定的基础设施，这个机器人将激光制导的自主机器人底座与由多个RFID读卡器和天线以及3D摄像机组成的射频识别（RFID）有效载荷结合在一起，用来盘点商品。Jian Zhang［11］等人设计了机器人，它可以自动生成一条路径，覆盖给定商店地图边界内的所有商品，然后按照生成的路径执行库存，此机器人能够在布局复杂的销售平台上高效的执行基于RFID 的库存，并提供了与手工库存相比更为准确的库存。J Thirumurugan［12］等人设计了一种采用传感器控制电机的线跟踪机器人，以跟踪为图书馆书架布置而预先确定的线路径。机器人携带条形码阅读器，从垂直排列的书籍中收集条形码数据，并将解码后的条形码数据与搜索输入进行比较。如果机器人到达要找到的书，那么机器人会将书的位置提供给图书管理员或访问图书馆的人，在图书馆中机器人用于搜索。机器人在搜索过程中遇到障碍时，会暂停并发出警报。可以使用机器人中预先编程的数据重新排列放错地方的书籍，这有助于保持书籍的顺序排放正确。这有助于简化书籍的整理工作，也减少了图书馆工作人员的手工日常工作。Isaac Ehrenberg［13］等人介绍了一种配备有RFID阅读器的机器人libbot，它可以自动完成以前手动读架的过程，并自动找到放错地方的书籍。实验表明，此机器人辅助库存管理方法不仅能够检测出错位书，而且能够确定书架上的书的顺序，甚至可以精确地定位至几厘米。Jia Liu［14］等人提出了一种将机器人技术与射频识别技术相结合，实现货架自动扫描的智能射频扫描仪系统。前者用来取代图书馆员，从繁重的体力劳动中解放出来。后者安装在机器人上，与机器人一起移动扫描书架上的书。我们提出了图书馆员关心的两个重要问题：图书定位和图书检测，并给出了完善的解决方案。

从调研来看，图书馆智能盘点机器人的研究起步较早，有很多相关学者进行了理论研究和模型研究，大多数的机器人处于试验阶段。真正的应用要数南京大学图书馆和新加坡图书馆了。南京大学图书馆联合南京大学计算机科学与技术系陈力军教授团队合作，主要研制图书馆智能盘点机器人，目前已经是第四代机器人，超高频RFID 和高频RFID 的都有。在应用的过程中，不断迭代更新软件和设计，有很多的优点，当然在新的环境要求下，也反映了一些不足之处。

1.1 基于RFID的图书馆智能盘点机器人

目前，国内很多公共图书馆、高校图书馆的自助设备都借助于RFID 传感器来实现，有不少已经应用了基于RFID 的全套系统。在实际运行的过程中，馆员们发现，RFID 系统中图书盘点功能最弱，一般是推车扫描仪、手持扫描仪，存在许多不足之处。在这种情况下，南京大学计算机系和南京大学图书馆联合研制了首款智能盘点机器人［15］，取得了诸多首创，在图书馆界引起了广泛的讨论和研究。目前美国、德国和新加坡等国家也在研制类似机器人［16］，基于超高频RFID的盘点机器人确实解决了图书盘点、错架乱架、读者藏书等一些问题，解决了人工不能解决的问题，并且可以在图书馆不开放的时候自己工作，没电了可以自动充电，不会影响到图书馆正常开放。

1.2 盘点机器人的不足之处

图书馆的盘点机器人主要用于在无人值守的情况下进行书籍的数目盘点、错架提示等，存在的一些需要完善的地方有如下几个方面：（1）盘点机器人还不能实现自动将书上架的功能，这个方面涉及很多知识，是一个世界性的难题；（2）盘点机器人都是单打独斗，各自负责工作，盘点机器人之间、盘点机器人和人之间、盘点机器人和书本之间的交互还是个盲点；（3）盘点机器人对环境的感知还主要依靠虚拟地图和底部激光定位，对环境要求稍高，在人数比较多的情况下，盘点机器人的定位可能会受到干扰。在这种情况下，研制共融机器人就显得十分必要。

2 共融机器人的相关概念与关键技术

《中国智造2025》的发布引起了广泛的关注，其中有关机器人领域的技术路线尤其令人关注，国家制造强国建设战略咨询委员会组织专家解读了系列绿皮书，从工业机器人、服务机器人、机器人国家标准、国家机器人检测与评定中心四方面解读了国内外发展现状、发展重点与发展路径，重点介绍了与人共融机器人，提出我国发展机器人的机遇与挑战［17］。共融机器人（Coexisting-Cooperative-Cognitive Robot, Tri-Co Robot）有三个要点，即共存（Coexisting）、协作（Cooperative）与认知（Cognitive），分别保证了机器人应用的普遍性、机器人交互的协调性和机器人对复杂环境的适应性，从而增强与作业环境、人及其它机器人之间的交互能力。王天然院士［18］认为，人类发明机器代替人劳动，不是要把自己排除在外，而是要和机器人共处。何玉庆［19］等人研究机器人发展新趋势，将传统机器人特征归纳为：人机空间隔离、机器与人非接触、预编程自主能力、示教盒/遥控器交互。而“与人共融”机器人的特征是：人机同一空间、机器人与人自然交互、配合人的需求、学习人的技能、与人协调互补、确保人机物安全。他们总结了共融机器人的关键技术：（1）行为合作的机器人机构与本体技术；（2）机器人对环境、以及人行为的感知与理解技术；（3）人机互助优化决策与自主学习技术；（4）行为方式与安全机制技术；（5）人机自然交互技术。

丁汉［20］认为：机器人将来的发展前景广阔，这得益于人工智能、新材料以及应用几方面的技术快速发展。在智能制造核心技术中，一个是数字制造技术，一个是传感技术。机器人将来的核心问题可能在三个方面：一个是机构，需要有这样的顺应性；另一个是外感知，多模态，机器人要对环境有认知；还有一个是分布协调控制。这些都是支持我们改变机器人发展必不可少的一部分。

3 盘点机器人的情景共融设计

新浪科技总结了当今科学家对2 100 年生活的十大预测：能上网的隐形眼镜、人体器官商店、读心术、灭绝动物复活、人类与机器人融合、变形、建造星际飞船、战胜癌症、延缓衰老、太空电梯［21］。其中就有人机融合。当然在智慧图书馆的建设中，人机共融的概念相对要窄一些，容易实现一些。目前，机器人的发展和以前相比有了新的需求，拓宽了应用领域和交互性（见表1）。

表1 机器人技术新需求

在智慧图书馆的建设中，基于RFID 芯片传感器的应用非常重要，以图书馆智能盘点机器人为核心的拓展应用应该是智慧图书馆发展的一个方向，而机器人和人共融、机器人和图书馆空间共融、机器人和机器人之间的共融是研究的重点方向。

3.1 机器人与书架之间的融合

图书馆盘点机器人依靠上下伸缩的读卡器读取图书中间的RFID 芯片信息，来和数据库比对，获得图书的排架信息，判断图书册数和排架正确与否，将盘点信息及时通过机器人上的屏幕、微信通知等方式展现出来。不少研究人员和机械设计人员在研究图书自动上架和抓取机械臂，朱晓霞［22］探讨了图书馆智能化文献自动拾取机器人的移动平台设计、机械拾取手臂设计、机械手夹持器设计以及机械手整体设计案例，力图为全面了解图书馆智能化机器人技术提供参考；冯银花［23］提出智能仓储系统，通过给每本书分配物理地址、在地面设置二维码，让机器人在书库中自主导航、自动取书，真正实现图书的智能仓储。

3.2 机器人与空间的融合

机器人在书架间行走，依靠的是虚拟地图，具有一定的局限性，如果格局变了就得重新构建虚拟地图。另外，环境的变化也妨碍会影响到它的工作，比如沙发、人的位置变化等。机器人与空间融合，就必须自己感知充电地点的改动、书架的挪动、沙发等摆放位置的改变，自适应环境的变化，无须人为构建地图。如果机器人被移到另一个楼层，它应该可以识别出新的环境，依靠RFID定位点或其他同层的机器人来定位自己，快速适应工作，而不是像现在换了楼层，机器人并不知道发生了什么导致不能正常行走。

SLAM（同步定位与地图构建）是目前移动机器人研究的重点课题之一。它是在无先验知识条件下，构建高精度环境地图模型，并实现高精度定位的重要技术手段［24］。盘点机器人在自身位置不确定的情况下，在移动的过程中需要能感知环境，并且根据位置估计和传感器数据以及摄像头等进行自身定位，同时能够建造增量式地图，感知到整层楼中书架排放等环境，然后利用构建的地图进行自主定位和导航。

3.3 机器人与机器人的融合

现代化的图书馆基本都是大空间开放式环境，服务于图书馆的盘点机器人不止一台。机器人之间应该有很好的交互功能，就像蚁群之间通过触角通讯一样。不同的是，机器人之间主要是共享数据和位置信息，在机器人互相接触的时候判断对方来自什么区域，能及时进行数据的交换，进行书本信息的状态更新，以节省时间成本和自充电成本。

目前南京大学在研究智能书车，即装有RFID芯片和读卡器的小车子，车子按图书大类简单区分，设置可以放置约100 本书。当读者在门口自助还书后，放入智能书车，车子可以即时感知到书的信息、位置和已还状态。当摆满后，能自助去到上架的馆员身边。如果盘点机器人解决了机械臂上书问题，智能书车就会自动去寻找盘点上书机器人。

3.4 机器人与人的融合

机器人和人的融合，一般指三种情况：（1）智能融合-通过人与机器人在感知、认知、决策等不同层面上的互补，提升人机共融系统的智能水平；（2）行为协调-在紧密接触的情况下，人与机器人在行为上一致、协调、互助；（3）任务合作-在人机共享动态环境下，人与机器人相互配合共同完成一个指定的任务。图书馆的智能盘点机器人是工作人员的补充者，而不是完全替代者。盘点机器人需要配合图书管理人员的上书工作，比如及时提醒位置和状态，引导人员去在正确的地方上书。盘点机器人可以感知周围活动的人，可以自动让路或停止等待等，更好的服务状态是对于读者够不着的书，接收读者指令帮读者取书。图书馆其他机器人可以通过RFID 类的卡片（如学校用的一卡通）来识别读者，给读者以个性化的服务：超期提醒、预约提醒、位置指引或者推荐图书等功能。曾子明等人［25］从智慧图书馆的概念和特点出发，提出融合情境感知的智慧图书馆个性化服务模型，分析该服务模式构建方法，探讨将情境感知运用于智慧图书馆可能存在的问题。因此，这种融合情景的机器人，是图书馆机器人的发展方向。

4 结语

图书整理、排序、盘点和找书是图书馆重要的业务。RFID 以其众多的优点被很多图书馆用来管理图书，但是在现行的RFID 技术下的图书馆整体解决方案中，图书盘点和解决错架是其中的难点。图书馆盘点机器人的出现基本解决了这个难题，然而在新的需求下，特别是AI（人工智能）和IA（智能增强）的发展对于共融的需求越来越多。情景融合型智慧图书馆中共融机器人的发展是趋势，也是新环境下的产物。