基于激光SLAM还书机器人的设计

冯 崇， 鲁 欣， 齐 波， 董洪超， 李龙言

(洛阳理工学院 智能制造学院， 河南 洛阳 471023)

2017年，我国颁布了第一部图书馆专门法《中华人民共和国公共图书馆法》，旨在“提高公民科学文化素质和社会文明程度，传承人类文明，坚定文化自信”，为促进全民阅读，提高公民社会科学文化素养提供了有力保障。2021年国务院发布了《全民科学素质行动规划纲要(2021—2035年)》，主要目的是提高全民科学素质服务高质量发展[1]，进一步加强化图书馆的教育职能[2]，体现图书馆在提高全民科学文化素养中的重要地位。由此可见，图书馆阅读在未来将会成为大趋势，图书馆建设必将朝着智能化的方向发展。张镜辉[3]根据图书馆还书、分拣、搬运等流程，构建了图书馆AGV智能分拣系统。钱海钢[4]利用NFC技术，研究了自助借书、还书的移动服务系统。江波[5]将RFID技术与移动图书馆系统深度融合，构建了具有创新性的图书馆管理系统。目前，我国已建造许多智能化图书馆，但因各种条件限制，不能完全普及，传统图书馆仍占较大比例。传统图书馆运营中存在的最主要问题是书籍的归类摆放。人工摆放需要图书管理员将书籍逐本分类，再寻找对应的书架，按书籍对应的序号摆放到指定位置，这个过程错误率高、效率较低，耗费大量劳动力。本文设计了一种基于激光雷达同步定位与地图构建(SLAM)的还书机器人，可以实现自动化还书，并且可以实现机器人行进过程中最优路径的规划。

1 还书机器人结构设计

1.1 整体结构设计

在设计还书机器人时，需要考虑灵活性、还书需求、适应图书馆环境、书本重量等一系列因素。机器人主要由移动底盘、书籍运送装置、末端还书装置、剪型升降台及相关传感器等部分组成，如图1所示。

图1 机器人总体结构示意图

机器人通过麦克纳姆轮移动底盘进行运动，麦克纳姆轮可以实现机器人在任意方向上的移动，以及机器人的自身旋转[6]。机器人利用激光SLAM定位，达到运输书籍并放置的目的。使用激光雷达SLAM导航具有一定的优越性，如解析度高、测距精度高、抗有源干扰能力强等[7]。主要完成工作：

(1)对机器人速度、位置进行控制，实现机器人在图书馆内全方位运动。

(2)利用控制系统进行图书馆地图环境构建，在机器人行进过程中，检测并自动避开地图环境标记的障碍物，智能规划到达指定位置的最佳路径。

(3)保证书籍平稳地运动到指定高度的书架前，控制机器人末端执行器夹取书籍，将书籍平稳放置到指定位置。

1.2 工作原理

(1)开始工作之前，在人工帮助下对图书馆内的工作环境进行地图构建，还书机器人可依据环境地图进行路径规划，计算出最优路径。

(2)工作过程中，书箱内的扫描器对需还书籍进行识别，获取书籍所在书架位置信息，还书机器人依据环境地图和传感器数据实现自主导航避障，到达书籍所在书架位置，利用推书台将书籍推到升降台上，升降台载着末端夹取装置上升到指定高度，末端夹取装置将书籍放置在指定的书架上。

(3)完成存放书籍后，机器人收回书架，升降台恢复初始状态。还书机器人书箱内的扫描器继续扫描下一本书籍，开始下一个循环过程。

1.3 车架本体结构设计

还书机器人车架本体主要包括底盘、激光雷达、视觉装置、可拆卸书箱及自动充电装置5个部分构成，如图2所示。

图2 车架本体结构示意图

由于图书馆工作环境的特殊性，常规运动方式会限制机器人的转向及工作范围。为了提高机器人工作效率，达到精准控制机器人移动的目的，采用开环可控步进电机驱动麦克纳姆轮。在机器人的移动过程中，用控制机器人行进速度的方式来达到对机器人精准控制的目的。麦克纳姆轮与步进电机连接构成移动装置，能够在图书馆狭小的运行区域全方位运动。

为实现对机器人运动速度的实时控制，利用惯导IMU六轴陀螺仪对运动速度、加速度、角速度等信息进行记录反馈。为了使机器人系统具有一定的鲁棒性，更加适应图书馆的工作环境，采用激光雷达与视觉装置配合来实现图书馆环境的地图构建及精确定位。可拆卸书箱便于进行书籍按批更换与书箱部件的维修，以满足运送多本书籍的设计要求。自动充电装置可实时监测机器人所剩电量，电量不足时及时自主充电。

1.4 运书机构结构设计

运书机构主要由支撑框架、推书台等构成，如图3所示。运书机构的主要作用为存放书籍。机器人车架与运书机构的底板之间装有直线导轨，直线导轨与底板上的空隙对应。与直线导轨平行安装有丝杆螺母副，螺母与推书台结合器相连接。还书机构工作时，电机控制丝杆旋转运动，螺母带动推书台进行移动，将书籍移动到指定位置，配合升降台和推书结构完成书籍的放置。

图3 运书机构结构示意图

1.5 升降机构结构设计

升降台主要由导轨、电机及升降杆构成(如图4所示)，属于剪刀式升降台，在竖直方向进行运动。剪型结构使机器人结构更加紧凑，占据空间小，承重大，伸缩性好。升降台安装在机器人车架上，升降台上方设有推书结构。机器人处于不工作状态时，升降台处于初始位置(收紧状态)，当有书籍需要放置时，电机控制升降台到达指定位置，配合推书装置完成目标任务。

图4 升降机构结构示意图

1.6 推书机构结构设计

推书机构主要由推书导轨、电机、支撑板以及推板构成，如图5所示。为了满足机器人末端执行器平稳地将书籍放置到指定位置的要求，采用螺纹丝杠结构，使机械手爪方便在Y轴对书籍进行抓取。推书机构位于升降台顶部，通过滑座与丝杆相连接。

图5 推书结构示意图

2 关键零部件有限元仿真

运用有限元思想，对剪型升降机构滑块进行应力分析，如图6和图7所示。由图6可知，零件的应力分布不均匀，应力较大的位置出现在滑块与升降杆连接部位的下侧，最大静应力为2.774 Pa。由图7可知，滑块表面的最大应力为2.774 Pa，最小应力为1.414×10-4Pa。在机器人实物制作过程中，选择1345铝合金，屈服强度为27 574.2 MPa，大于滑块上最大静应力，符合设计要求。

图6 应力分析

图7 静应力分析

3 控制方案设计

(1)利用步进电机控制麦克纳姆轮进行移动，机器人能够达到指定位置。

(2)利用舵机控制机器人末端执行器的运动，更加准确地抓取书籍。

(3)利用步进电机控制剪式升降台运动，完成书籍入库动作。

(4)利用ROS进行轨迹规划，进行上位机控制。使用STM32进行下位机控制。上位机在Ubuntu18.04系统下搭载ROS Melodic机器人操作系统，下位机使用STM32F103处理芯片来获取和处理底层逻辑信息并及时反馈，实现多项任务高效稳定运行。

控制系统硬件构成如图8所示。

图8 还书机器人控制系统硬件

为建立机器人在移动过程中底盘坐标系、激光雷达坐标系等三维坐标系间的联系，利用TF-Tree来实现机器人在地图中的定位以及建立各节点之间的关联。TF可以将这些不同的坐标系以树状结构的形式储存起来，时刻记录这些坐标系之间的关系。机器人运动过程中利用TF来实现不同坐标系的转换[8]。各个节点之间通过话题实现信息交互，如图9所示。

图9 节点通信图

3.1 麦克纳姆轮控制方案

麦克纳姆轮对各个车轮之间的速度控制精度有较高的要求，采用高精度步进电机进行控制。上位机通过IMU获取机器人的加速度、角速度和三轴磁场偏角，并通过内部芯片处理得到姿态信息，下位机STM32通过通讯获取上位机发送的运动速度信息，信息解析后控制底盘上的4个麦克纳姆轮进行移动。麦克纳姆轮装置采用O-长方形式安装方式，如图10所示。

图10 安装方式

为了得到4个麦克纳姆轮的电机控制速度，将底盘运动速度分解为X轴速度(Vx)、Y轴速度(Vy)和绕中心点旋转角速度(ω)，如图11和图12所示。对其进行正运动学分析，可以得出4个车轮对应电机速度：

图11 底盘速度分解

图12 车轮速度

(1)

STM32驱动步进电机进行运动，使机器人到达定点位置。

3.2 激光雷达SLAM控制方案

SLAM是指机器人在陌生环境中通过获取自身传感器数据，实现在陌生环境中的自主定位与环境地图构建[9]。机器人在还书工作中利用SLAM构建的室内环境地图进行路径规划，同时利用自身携带的激光雷达、里程计和IMU来获取周边信息进行自主定位，实现自主避障功能。激光雷达SLAM采用Gmapping算法，有效利用车轮里程计信息，实现地图的实时构建[10]。在控制程序设计时，利用ROS中的move_base、gmapping、amcl功能包完成机器人的路径规划[11]。

4 机器人地图构建与路径规划仿真

为了直观验证机器人运动的正确性与合理性，对还书机器人进行了建模仿真。利用SolidWorks软件对机器人进行建模，将URDF模型导入到Gazebo[12]仿真软件中。还书机器人的三维模型及仿真如图13～图15所示。还书机器人具有自主避障导航功能，能达到预期还书目的。

图13 机器人三维模型

图14 地图构建仿真

图15 路径规划仿真

5 结 语

设计了一种基于激光SLAM的还书机器人。采用三维设计软件、有限元仿真软件、Gazebo仿真软件对机器人进行了建模仿真。使用有限元方法对机器人的重要零部件进行了静力学分析，结构设计合理。使用轨迹仿真软件对机器人的运动轨迹进行了分析，可以实现路径规划、导航避障。与传统还书方式相比，还书机器人精准度高、效率高，为实现自动化图书馆还书提供了一定的技术方案。