基于“探索者”创新平台的图书搬运机器人设计与实现

韩洋HAN Yang；胡文双HU Wen-shuang；赵华ZHAO Hua

（南阳理工学院智能制造学院，南阳 473004）

0 引言

现如今，全球多数图书馆都是采用人工方式进行图书的存取和放置工作，但这种传统的图书管理方式既费时又费力。并且，图书是人类记录知识最有效的方式，随着时代的进步，图书的数量只会越来越多。因此，如何使图书管理人员从繁杂的机械式劳动中解脱出来，以进一步提高图书的管理效率以及降低图书馆日常运营成本，是一个亟待解决的问题。本文基于“探索者”创新平台，设计了一种在图书馆场景下能够自动识别、抓取、存放，且具备循迹、避障等功能的图书搬运机器人。

1 图书搬运机器人结构设计

本设计最终目的是机器人能够在图书馆中完成图书的自动搬运工作，解放人力劳动。因此，设计时需要考虑实际图书馆中书架的距离间隙、地面的斜度、高度以及光滑程度，同时考虑到机器人需要长时间代替人来完成机械运动，且图书馆环境相对安静，还要对其续航时间和噪声大小等提出要求，最终确定的机器人机械结构主要技术指标如表1 所示。

表1 机械结构主要技术指标

根据任务要求，本文设计的图书搬运机器人机械结构组成如图1 所示，主要包含移动机构、拾取机构和辅助机构等。其中移动机构的任务是为机器人提供移动能力，完成转向和续航指标；拾取机构的任务是完成对于图书的拾取和放置工作；辅助机构的任务是辅助拾取机构完成放置目的，弥补机器人自由度上的缺陷及提高机器人工作效率。针对不同的任务需求，利用模块化的设计方式进行设计，提高设计效率的同时，有利于组织专业化生产、降低成本和提高质量。

图1 机器人机械结构组成

1.1 移动机构

移动机构是图书搬运机器人实现寻迹、避障等功能的基础，也直接影响了其续航时间和运动灵敏度，轮式移动方式在经济和结构上有着突出的优势，并满足机器人技术指标。

轮式移动方式主要根据其所用车轮的数量来进行划分，可分为三轮、四轮及多轮（五轮以上），其中五轮以上的多轮运动方式过于复杂，对于机器人的成本而言，得不偿失。故运动方案在三轮和四轮之间进行选择。

1.1.1 三轮式 一般的三轮式移动方式为两个驱动轮加一个万向轮的布置，此移动机构简单、紧凑，具有一定的承载能力和转向能力，但其稳定性较差，尤其是在转向时容易发生侧翻的情况。

1.1.2 四轮式 这是绝大多数移动机器所采用的运动方式，可分为双电机驱动和四电机驱动。对于承载力而言，双电机驱动和四电机驱动相差不大，但四电机驱动拥有更加强大的动力和更出色的续航能力。

图书搬运机器人要在图书馆内代替人进行图书的存取和放置工作，所以需要较好的稳定性、较高的承载能力和出色的续航能力，且增加两个电机对于成本的影响不大，故选择四轮驱动中的四电机驱动方式。

驱动电机是图书搬运机器人的动力来源，也是最终决定机器人能否稳定运行以及长时间续航的一个重要因素[1]。通过对驱动电机总驱动力和功率的计算，初步选择驱动电机的型号[2]。

车轮与轴承间的摩擦力计算公式[3]：

式（1）中，P—车轮轮压；D—车轮直径；d—轴直径；μ—车轮与轴承的摩擦因素。

式（2）中，N—正压力；f—摩擦因素。

惯性阻力Wg的计算公式：

式（3）中，a—加速度；g—重力加速度；G—移动机构总质量。

式（5）中，f—车轮与地面的摩擦因素；N—机器人对地面的正压力；D—车轮直径。

式（6）中，v—驱动轮线速度；D—车轮直径。

式（7）中，TL—驱动转矩T 代替；η—机械效率。

式（8）中，ta—加减速时间；G—车轮重量；D—车轮直径。其中，

根据表1 中的技术参数，初步确定图书搬运机器人重量为10kg，μ=0.01，d=6mm，D=64mm，可以得到图书搬运机器人的总驱动力为

依据得出的总驱动力，可确定每个轮受到的驱动力为FL（R）=28.6N。

因此力矩Tf为

根据Tf的理论计算结果，最终选择的电机型号为JGB37-520。

1.2 拾取机构

图书搬运机器人需要具有升降存储以及自动拾取图书的功能，因此确定拾取机构由升降存储台、多自由度的机械臂和机械爪组成[4]。

机械爪作为末端执行器，是机器人完成抓取功能最直接的部件。它需要仿真人类手部的运动方式，对物品进行拾取。由于图书的横截面积较小，故选用传统的机械式夹取器。

本文设计的机械式夹持器为双指手爪式，它依靠手爪的回转运动来实现夹取，属于回转型手爪。其工作原理为：用舵机带动其中一边的手爪零件运动，再通过齿轮啮合带动另一边的手爪零件运动实现手爪的抓取动作[5]。且其末端夹取杆上配有多个M3 螺纹孔，方便后期对于夹取器的扩展和修改。

机械臂是模仿人类手臂的机械部件，它是机器人整体中自由度最多，控制难度最大的部位。在设计时，机械臂的结构要尽可能的紧凑，采用强度高而质量小的轻质材料，安装时，尽可能保持直线，使机械臂整体的重心在可控范围内，提高机械臂的控制精度。

设计的机械臂自由度越多，机械臂就越灵活，但控制难度也会相对增加。本文选择4 自由度的机械臂外加一个旋转云台的方案。增加一个云台，可以使机械臂的整体重心更加集中，底部安装强度增强，利于控制和移动的稳定性。

1.3 辅助机构

为了方便图书拾取，存储台应具有升降功能，利于改变位置高度。本文图书存储台选用结构稳定、运动效率高、安全可靠的X 式剪叉式升降台。同时在底部使用丝杆螺母传动的方式，把电机的转动转化为直行平动的方式，这样不仅有利于系统的稳定性，而且可以提高电机传动效率。

选用的电机需在丝杠受载情况下，带动螺母进行稳定前进，故对丝杠副的转动惯量进行初步计算，根据所计算的数据来选用相对合理的步进电机。

实心滚珠丝杠副转动惯量计算公式为：

因此将直线运动参数转换为旋转运动的转动惯量：

式中：m 为滚珠丝杠副的质量；v 为滚珠丝杠副螺母的线速度；n 为滚珠丝杠的转速；p 为滚珠丝杠的导程。

初步确定参数m=2.24kg，v=0.24m/min，n=60r/min。将以上预估参数带入式（16）中可求得J≈9.073·cm2。

根据所求实心滚珠丝杠副的转动惯量，电机型号选用42HD1403 的电机。并依据STM32 的供电电压为12V，故选用的电机符合所需电压，且质量和转动惯量均符合设计要求，故可以作为实际应用电机。

基于“探索者”创新平台的图书搬运机器人整体装配三维模型如图2 所示，搭建的实物模型如图3 所示[6]。

图2 机器人三维模型

图3 机器人实物模型

2 图书搬运机器人控制系统设计

图书搬运机器人控制系统包含硬件和软件两部分，以STM32F103C8T6 为主控制器，在Keil uVision5 中编写实现相应功能的程序。本文设计的图书搬运机器人需要满足循迹、避障、升降台升降、机械臂运作、条形码识别、蜂鸣器警示等功能。其控制系统设计框图，如图4 所示。

图4 图书搬运机器人控制系统设计框图

2.1 路径规划

在日常取放书的过程中，难免会遇到障碍物，为了提高机器人的工作效率，给机器人加入了路径规划，以统一机器人的工作路径，减少不必要的避障措施。本文选择了口字形运输路线，机器人会按照我们规定的口字形路径进行运输搬运。

2.2 超声波避障

US-100 型超声测距探头在2cm 到10m 的范围内可实现高精度的无接触探测，为机器人的避障工作提供了可靠的基础。另外，它还配有温度传感器，可对超声波模块内部电路进行温度补偿，使模块精度更高且适应性更强，能够准确地标定测量出的距离。

机器人通过实时更新的超声波测距数据进行避障。当超声波传感器数据大于200mm 时，判定为无障碍，执行循迹程序，当小于200mm 时，执行转向程序，具体为先后退一定距离，再转向90 度。后退距离和转向角度通过延时实现。转向完成后继续读取超声波数据并判断，以此循环[7]。

2.3 红外循迹

KEYES 红外循迹传感器模块可以有效地检测和跟踪物体的运动轨迹，并且利用红外线的反射率不同，将光线的强弱转换为电流信号，从而实现对物体运动轨迹的实时监测和跟踪。当左右两边传感器都接受到信号时说明黑线在车轮中央。这时候小车是按黑线正常行驶的，如果左边的传感器没能识别到黑色线，那么左边的传感器就会给单片机一个信号，然后单片机发出指令让左侧的两个轮子停止转动，直到左侧的传感器识别到黑线，两边传感器都能接收到信号时，机器人恢复正常行驶。

2.4 机械臂的抓取及升降台的升降

机械臂对书本的抓取是通过单片机控制六个舵机实现的，本文选择的是RDS3120 舵机，其特点是控制精确、线性度极佳，而且反应迅捷，可以满足各种复杂的操作需求。需要多次调试机械臂的位置，以得到其运作的准确路径。升降台的升降由步进电机进行驱动，通过计算升降的距离以及丝杠螺母的位置，确保升降功能得到实现。

3 结论

本文基于“探索者”创新平台，设计并制作了一种图书搬运机器人[8]。采用多种传感器进行环境信息的实时感知，配合路径规划，经过反复调试，结果表明：在图书馆场景下该机器人能够对图书自动识别、抓取、存放，且具备循迹、避障等功能。但在多次实验后，发现机器人耗电问题较大，且电机的噪声还可以继续减少，以适应图书馆相对安静的环境。