專利名稱：圖書上下架機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖書上下架機器人。
背景技術(shù)：
圖書上下架是圖書館工作中主要的、重復(fù)量大的、關(guān)鍵的工作之一，大量的人工操作，與現(xiàn)代高速發(fā)展的科技不相匹配，特別是需要保密的資料室。隨著機器人技術(shù)的發(fā)展， 圖書機器人將有可能取代這一工作。圖書館機器人上下架的控制的好壞直接影響到借閱圖書工作質(zhì)量，目前這一方面的研究很少。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種圖書上下架機器人，它采用PLC對掃描器信號進行編碼，再結(jié)合伺服電機運動實現(xiàn)對圖書位置的查找厚度傳感器和伺服電機的組合實現(xiàn)了圖書上下架。圖書館機器人提高了上下架圖書質(zhì)量和生產(chǎn)效率。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種圖書上下架機器人，包括機器手和控制器，其特征在于機器手包括大臂，為一個由電機驅(qū)動沿書架水平直線移動的雙作用無桿氣缸，雙作用無桿氣缸的滑塊上安裝小臂，大臂的兩端裝有左右位置傳感器小臂，由調(diào)節(jié)小臂水平左右擺動角度的小臂電機和驅(qū)動小臂前后伸縮的小臂氣缸組成，小臂氣缸由小臂電機驅(qū)動而作水平左右擺動腕部電機，安裝在小臂氣缸的伸縮臂上，用于調(diào)節(jié)掌部垂直左右擺動角度掌部氣缸，用于驅(qū)動掌部上下伸縮，掌部氣缸由腕部電機驅(qū)動而作垂直左右擺動手指，安裝在掌部氣缸的伸縮臂上，手指包括叉狀分書器、連接于分書器兩叉間的叉狀夾書器、驅(qū)動分書器動作的分書器電機、驅(qū)動夾書器動作的夾書器電機。進一步地所述分書器的兩叉分別與夾書器的兩叉之間鉸接連桿所述分書器電機通過絲杠螺母機構(gòu)驅(qū)動分書器的兩叉作伸出張開和收回合攏動作，所述夾書器電機通過絲杠螺母機構(gòu)驅(qū)動夾書器的兩叉作伸出張開和收回合攏動作。所述手指上裝有檢測書本厚度的厚度傳感器。所述厚度傳感器由裝在分書器的兩叉尖處的貓胡須傳感器和裝在分書器斜拉桿上或裝在夾書器斜拉桿上的容柵傳感器組成，貓胡須傳感器輸出的信號控制容柵傳感器的啟停。所述控制器采用PLC電路，PLC根據(jù)所接受的各傳感器的信號控制相應(yīng)的電機和氣缸。所述機器手上裝有條碼掃描器，條碼掃描器的RS232接口經(jīng)電纜與PLC的RS232 接口相連。
所述控制器采用PLC電路，所述厚度傳感器輸出的BCD信號接入PLC電路的內(nèi)部繼電器。本發(fā)明具有以下優(yōu)點采用PLC的內(nèi)部繼電器與容柵傳感器結(jié)合，完成對書本厚度的測量，最大限度利用PLC的內(nèi)部資源，提高系統(tǒng)的可靠性、降低系統(tǒng)成本。用圖書機器人管理圖書，將勞動力從簡單繁瑣重復(fù)性工作中解脫出來，提高了圖書館的管理水平。


圖1為是機器手的運動軌跡示意圖圖2為圖書機器人的機器手系統(tǒng)圖圖3為圖書機器人的手指結(jié)構(gòu)圖圖4為圖書上下架控制系統(tǒng)圖圖5為貓胡須檢測程序圖圖6為厚度傳感器檢測圖圖7為主程序流程圖。圖中1書架側(cè)框2手指3腕部電機4掌部氣缸5書6右傳感器7左傳感器8 大臂(雙作用無桿氣缸)9小臂電機10小臂氣缸11小臂氣缸伸縮臂12掌部氣缸伸縮臂 20分書器斜拉桿21貓胡須傳感器22分書器23連桿M夾書器25夾書器電機沈分書器電機27支架觀夾書器絲杠四分書器絲杠
具體實施例方式本發(fā)明涉及一種圖書上下架機器人，包括機器手和控制器。下面詳細說明。1圖書館機器人的工作原理1. 1圖書館機器人基本結(jié)構(gòu)圖書機器人由圖書上下架的工作部分和行走部分組成。圖書館機器人機器手的工作區(qū)域是一個長方體，如圖1所示機器手的主要動作是轉(zhuǎn)動和直線移動，弧線箭頭指示轉(zhuǎn)動部分，直線箭頭指示為直線運動。因此選用執(zhí)行機構(gòu)為轉(zhuǎn)動副和移動副構(gòu)成的復(fù)合運動副。轉(zhuǎn)動副由步進電機實現(xiàn)，移動副由單、雙作用氣缸實現(xiàn)。如圖2所示，機器手包括大臂8，為一個由電機驅(qū)動而沿書架水平直線移動的雙作用無桿氣缸(底部裝有行走輪)，該雙作用無桿氣缸的滑塊上安裝小臂，大臂的兩端裝有左右位置傳感器7、6 小臂，由調(diào)節(jié)小臂水平左右擺動角度的小臂電機9(采用伺服電機)和驅(qū)動小臂前后伸縮的小臂氣缸10組成，小臂電機9采用伺服電機，小臂氣缸10與小臂電機9的輸出軸連接，可由小臂電機驅(qū)動而作水平左右擺動腕部電機3，采用伺服電機，腕部電機3安裝在小臂氣缸10的伸縮臂11的末端，用于調(diào)節(jié)掌部垂直方向的左右擺動角度掌部氣缸4，用于驅(qū)動掌部上下伸縮，掌部氣缸4與腕部電機3的輸出軸連接，可由腕部電機驅(qū)動而作垂直左右擺動手指2，安裝在掌部氣缸4的伸縮臂12的末端。如圖3所示，手指2包括叉狀分書器22、連接于分書器22兩叉間的叉狀夾書器M、驅(qū)動分書器22動作的分書器電機沈、驅(qū)動夾書器M動作的夾書器電機25。分書器22 的兩叉分別與夾書器M的兩叉之間對稱的鉸接若干連桿23。分書器電機沈和夾書器電機 25裝在支架27上，支架27固定在掌部氣缸4的伸縮臂12的末端。其中分書器電機沈通過絲杠螺母機構(gòu)驅(qū)動分書器22的兩叉作伸出張開和收回合攏動作夾書器電機25通過絲杠螺母機構(gòu)驅(qū)動夾書器M的兩叉作伸出張開和收回合攏動作。手指上裝有檢測書本厚度的厚度傳感器，該厚度傳感器由貓胡須傳感器21和容柵傳感器(未示)組成。貓胡須傳感器21裝在分書器22的兩叉尖處，容柵傳感器的兩個極板中，一個極板固定，另一極板裝在分書器斜拉桿四上(或裝在夾書器斜拉桿上)。貓胡須傳感器輸出的信號控制容柵傳感器的啟停。貓胡須傳感器和容柵傳感器的原理屬公知技術(shù)，此不贅述。本發(fā)明的控制器采用PLC電路，PLC根據(jù)所接受的各傳感器的信號控制相應(yīng)的電機和氣缸。機器手上裝有條碼掃描器，條碼掃描器的RS232接口經(jīng)電纜與PLC的RS232接口相連。1. 2圖書館機器人的圖書上、下架工作原理如圖2所示，機器人面對書架平行站立，與書架之間的距離固定。機器人接到取圖書指令后，將指令編碼，再根據(jù)目標圖書編碼到達含有當前圖書的書架旁邊，機器人伸出機器手，安裝在機器手正下方的掃描槍掃描前面圖書的編碼，與目標圖書編碼進行比較，PLC 根據(jù)對比值控制閥島，閥島輸出氣壓調(diào)整雙作用無桿氣缸8上的滑塊實現(xiàn)左右直線運動， 滑塊帶動上方的小臂電機9，小臂電機9轉(zhuǎn)動可以調(diào)整小臂與書架之間的角度。小臂氣缸 10的伸縮可以調(diào)整機器手與書架之間的距離。腕部電機3旋轉(zhuǎn)可以調(diào)整掌部與書的存放角度。掌部氣缸4的伸縮可以調(diào)整手指2夾書的位置。2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及工作原理根據(jù)圖書機器人的圖書上下架工作原理，控制系統(tǒng)首先必須完成書本厚度的實時檢測和目標位置檢測。其中通過采用貓胡須傳感器與容柵傳感器相結(jié)合的方法實現(xiàn)書本厚度的實時檢測。貓胡須傳感器21裝于分書器22的前側(cè)，容柵傳感器裝在分書器連桿四和支架27上。分書前，貓胡須傳感器21的觸須接觸圖書，并做左右滑動，當觸須滑動接觸到圖書的書脊時，輸出信號，容柵傳感器開始記錄信號，當觸須接觸到兩圖書相鄰位置時，觸須因圖書之間的間隙而發(fā)生跳躍，貓胡須傳感器21不再產(chǎn)生信號，容柵傳感器便停止記錄信號。根據(jù)容柵傳感器停止與開始記錄信號的差值就可以轉(zhuǎn)換成圖書厚度。再經(jīng)PLC處理完成對目標圖書的存放狀態(tài)、厚度的實時檢測。貓胡須傳感器21的分辨率為0. 1毫米，可滿足最小書本厚度檢測的要求。通過目標編碼來實現(xiàn)直線單元直線區(qū)域的跟蹤，通過左右傳感器來實現(xiàn)換層。PLC 對掃描槍測來的信號進行編碼、輸出信號控制伺服電機、驅(qū)動直線單元的運行。機器人查找圖書時，整個機器人面對著圖書架左右移動，機器人需要知道圖書架的邊緣，一般圖書架為鐵質(zhì)材料，機器人大臂兩側(cè)分別裝有金屬傳感器(左傳感器7和右傳感器6)，當機器人移動到極限(圖書架左右兩側(cè)框1)位置時，該金屬傳感器感測到圖書架金屬邊框產(chǎn)生信號，機器人不再左右移動。當小臂也移動到極限(機器人大臂兩側(cè))位置時，若機器人還沒有找到圖書位置，則說明圖書不在此層，需要換層。換層由具有上下運動功能的掌部氣缸伸縮臂 12完成。3基于厚度控制的程序編制3. 1圖書厚度的檢測控制器為高速計數(shù)器工作模式，采用容柵傳感器比較合適，如圖4，容柵傳感器的兩個極板分別將采集到的書本厚度轉(zhuǎn)換成二進制BCD信號(以4位為例，即 AO、BO、CO、DO)，AO、BO、CO、DO 分別接入 PLC 的內(nèi)部繼電器 X20、X21、X22、X23 輸入端口，根據(jù)A0、B0、C0、D0的值PLC能判別書本的厚度。將書本度分成16等級，即將圖書館藏書按厚度分成十六個等級，最薄為一級，最厚為十六級，基本能滿足機器人判別圖書寬度的需要。采用厚度傳感器響應(yīng)速度快，PLC的處理器判別簡單。貓胡須檢測程序如圖5所示R100為控制器的內(nèi)部繼電器，當貓胡須開始接觸書時閉合(ON)。RlOl為控制器的內(nèi)部繼電器，當貓胡須斷開圖書時閉合(ON)(說明DEC0是將WR13中的后4位數(shù)進行解碼，即將4位B⑶解碼為16位二進制，數(shù)據(jù)放在WR15中。)3. 2深度傳感器檢測圖2所示，機器手安裝在絲杠及滑軌上，夾書時夾書位置(深度)至關(guān)重要，采用容柵傳感器比較合適，將容柵傳感器的兩個極板分別安裝在機器手的小臂氣缸10的內(nèi)部和小臂氣缸伸縮臂12上，因為伸縮臂12距離較大，采用32位BCD信號比較合適，傳感器輸出模擬0 5V信號精度更高，可以達到要求。深度傳感器檢測程序如圖6所示R120為控制器的內(nèi)部繼電器，貓胡須開始接觸圖書時，容柵傳感器的輸出值為閉合(ON)。R121為控制器的內(nèi)部繼電器，分書器夾到中心(因機器手到書架后側(cè)板的距離是固定的，故圖書中心為該距離減去貓胡須開始接觸圖書時容柵傳感器的輸出值再除以2)為閉合(0N)。(說明=DBIN指令將WR5字繼電器8位B⑶碼按十進制轉(zhuǎn)換為32bit 二進制數(shù)據(jù)，結(jié)果存放于 DT5、DT6數(shù)據(jù)寄存器中。)3. 3PLC對掃描器信號的識別PLC的通信功能是指PLC讀寫外圍設(shè)備的接點信息和數(shù)據(jù)寄存器中的內(nèi)容，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集運行狀態(tài)的監(jiān)控等功能。同樣PLC可以讀寫掃描器數(shù)據(jù)寄存器中的內(nèi)容信息， 方法如下1.用通訊電纜將PLC的RS232接口和掃描器的RS232接口相連，采用串行設(shè)置、 傳遞波特率19200 2.再從PLC選項系統(tǒng)寄存器中進行設(shè)置編程口 N410選1，C0M端口設(shè)置N412選2，傳輸格式N413設(shè)置奇偶校驗，N414設(shè)置傳輸速率19200，N417設(shè)置串口接收數(shù)據(jù)首地址K100，N418串口接收數(shù)據(jù)容量設(shè)置K20。所選條碼掃描器規(guī)格如下NLS-HR200W 二維條碼槍，軟件支持Windows系列。識讀參數(shù)，識讀模式CM0S攝像，分辨率752*480，接口 RS232識讀碼制二維條碼，漢信碼，龍貝碼等識讀精度≥3mil，提供光源LED (630nm士 10nm).光源強度300LUX(130mm)識讀景深45mm 450mm條碼旋轉(zhuǎn)靈敏度360°條碼傾斜靈敏度45°條碼偏轉(zhuǎn)靈敏度45°為便于檢索，圖書都編有書目信息，書目信息一般是一排數(shù)字，計算機往往將其看作一個大數(shù)，因此只要把對應(yīng)的數(shù)字轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖，發(fā)送給PLC的XO端口即可。XO是高速計數(shù)端口，只有高速計數(shù)器才能讀取較大的編碼數(shù)據(jù)，特別注意的是在PLC下載梯形圖時設(shè)置“寄存器端口設(shè)置”為“加計數(shù)輸入(XO)復(fù)位輸入(X》”。說明加計數(shù)輸入(X0， XI)復(fù)位輸入貓，R9038為COM 口接收完成標志，DT9044、DT9045為高速計數(shù)器經(jīng)過值。3. 4圖書上下架的主程序流程圖請參閱圖7，當機器人處于待命狀態(tài)時，判斷有無圖書目標信號，無則返回有，則判斷是圖書上架還是下架、進行相應(yīng)工作。下面以接到圖書上架任務(wù)(插書)為例介紹工作流程。機器人將指令中的圖書編號和當前的掃描信號相比較，根據(jù)比較得出值情況分為大、 小、相等三種，在控制器的控制下，雙作用汽缸對應(yīng)地分別作出左移、右移、不移動的動作。 當信號相等時，小臂伸出伸縮臂，貓胡須傳感器接觸到圖書。分書器電機26帶動絲杠四轉(zhuǎn)動，而夾書器電機25不轉(zhuǎn)動，使得分書器22向兩側(cè)張開。由于分書器22與夾書器M之間有4個連桿23連接，因此當分書器張開到與書同厚時，夾書器也張開到同樣寬度，小臂伸縮 臂繼續(xù)伸出，將書送到達書架最里層。此后夾書器電機25開始工作，帶動絲杠觀轉(zhuǎn)動，使得夾書器對向外運動并繼續(xù)張開。此時有兩種情況產(chǎn)生，一是分書器兩側(cè)圖書架上圖書被分開二是夾書器張開到連桿23與夾書器M超過90度角時，夾書器M對圖書的夾力逐漸減小，角度大到一定時變?yōu)榱?。此后小臂伸縮臂收回，夾書器、分書器依次閉合，最后整機復(fù)位。小臂電機9和腕部電機3用來輔助調(diào)整機器手與圖書之間的二維角度。
權(quán)利要求
1.一種圖書上下架機器人，包括機器手和控制器，其特征在于機器手包括大臂，為一個由電機驅(qū)動沿書架水平直線移動的雙作用無桿氣缸，雙作用無桿氣缸的滑塊上安裝小臂，大臂的兩端裝有左右位置傳感器；小臂，由調(diào)節(jié)小臂水平左右擺動角度的小臂電機和驅(qū)動小臂前后伸縮的小臂氣缸組成，小臂氣缸由小臂電機驅(qū)動而作水平左右擺動；腕部電機，安裝在小臂氣缸的伸縮臂上，用于調(diào)節(jié)掌+部垂直左右擺動角度； 掌部氣缸，用于驅(qū)動掌部上下伸縮，掌部氣缸由腕部電機驅(qū)動而作垂直左右擺動； 手指，安裝在掌部氣缸的伸縮臂上，手指包括叉狀分書器、連接于分書器兩叉間的叉狀夾書器、驅(qū)動分書器動作的分書器電機、驅(qū)動夾書器動作的夾書器電機。
2.如權(quán)利要求1所述的圖書上下架機器人，其特征在于 所述分書器的兩叉分別與夾書器的兩叉之間鉸接連桿；所述分書器電機通過絲杠螺母機構(gòu)驅(qū)動分書器的兩叉作伸出張開和收回合攏動作， 所述夾書器電機通過絲杠螺母機構(gòu)驅(qū)動夾書器的兩叉作伸出張開和收回合攏動作。
3.如權(quán)利要求1或2所述的圖書上下架機器人，其特征在于 所述手指上裝有檢測書本厚度的厚度傳感器。
4.如權(quán)利要求3所述的圖書上下架機器人，其特征在于所述厚度傳感器由裝在分書器的兩叉尖處的貓胡須傳感器和裝在分書器斜拉桿上或裝在夾書器斜拉桿上的容柵傳感器組成，貓胡須傳感器輸出的信號控制容柵傳感器的啟停。
5.如權(quán)利要求1所述的圖書上下架機器人，其特征在于所述控制器采用PLC電路，PLC根據(jù)所接受的各傳感器的信號控制相應(yīng)的電機和氣缸。
6.如權(quán)利要求5所述的圖書上下架機器人，其特征在于所述機器手上裝有條碼掃描器，條碼掃描器的RS232接口經(jīng)電纜與PLC的RS232接口相連。
7.如權(quán)利要求3所述的圖書上下架機器人，其特征在于所述控制器采用PLC電路，所述厚度傳感器輸出的BCD信號接入PLC電路的內(nèi)部繼電
全文摘要
本發(fā)明涉及圖書上下架機器人，包括機器手和控制器，機器手包括大臂，為雙作用無桿氣缸，雙作用無桿氣缸的滑塊上安裝小臂，兩端裝有位置傳感器小臂，由小臂電機和小臂氣缸組成，小臂氣缸由小臂電機驅(qū)動而作水平左右擺動腕部電機，安裝在小臂氣缸的伸縮臂上掌部氣缸，由腕部電機驅(qū)動而作垂直左右擺動手指，安裝在掌部氣缸的伸縮臂上，包括叉狀分書器、連接于分書器兩叉間的叉狀夾書器、分書器電機、夾書器電機。本發(fā)明采用PLC的內(nèi)部繼電器與容柵傳感器結(jié)合，完成對書本厚度的測量，最大限度利用PLC的內(nèi)部資源，提高系統(tǒng)的可靠性、降低系統(tǒng)成本。用圖書機器人管理圖書，將勞動力從簡單繁瑣重復(fù)性工作中解脫出來，提高了圖書館的管理水平。
文檔編號B25J13/00GK102152293SQ20111007408
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月25日
發(fā)明者張利霞, 張景勝, 楊志成 申請人:北京聯(lián)合大學(xué)生物化學(xué)工程學(xué)院