本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及图书馆智能搬运机器人搬运系统和方法。

背景技术：

现有的搬运机器人是通过机械臂的夹爪进行抓取，很容易使图书出现褶皱或损坏图书。而且多自由度的机械臂结构比较复杂，需要对机械臂进行精确地姿态控制，容易出现卡滞情况，导致这种机械臂的使用成本比较高。

技术实现要素：

本发明提供了图书馆智能搬运机器人搬运系统和方法，可以解决现有技术中存在的问题。

本发明提供了图书馆智能搬运机器人搬运系统，包括机器人、计算机终端和书架，所述机器人和计算机终端无线通信连接，所述书架上安装有多个竖直的隔板，相邻两个隔板之间的空间用于存放一本书籍；

所述机器人包括传感装置、控制装置和执行系统，所述传感装置和执行系统分别与控制装置电连接；

所述传感装置包括阅读器和超声波传感器，所述执行系统包括存书装置、升降装置和驱动装置，所述升降装置安装在驱动装置的顶部，所述存书装置安装在升降装置的顶部；

所述存书装置包括上平台、夹取装置和挡板，所述挡板的数量为多个，多个所述挡板相互平行且相邻两个挡板之间存在一定距离；

所述夹取装置安装在上平台顶面上与所述挡板相对的一侧，所述夹取装置包括固定块、导轨、滑块、机械臂和电磁夹取装置；两个所述固定块分别安装在上平台的顶面两端，所述导轨的两端分别安装在两个所述固定块相对的侧面上，所述滑块滑动安装在导轨上；

所述滑块上安装有伸缩装置，所述伸缩装置的末端安装有所述阅读器和超声波传感器，所述伸缩装置上安装有两个相对设置的机械臂，两个所述电磁夹取装置分别安装在两个机械臂的末端。

本发明还提供了图书馆智能搬运机器人搬运方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，机器人接收计算机终端发送的书籍信息，该书籍信息包括书籍的位置以及与该书籍对应的rfid信息；

步骤2，机器人根据书籍的位置进行导航，并移动至对应的书架附近；

步骤3，升降装置升高，直到存书装置达到需要的高度；

步骤4，滑块在导轨上移动，使伸缩装置移动至目标书籍前方；

步骤5，超声波传感器检测伸缩装置前方是否存在隔板，如果存在，机器人沿平行于书架的方向移动一段距离，直到伸缩装置前方的隔板消失，此时挡板和隔板处于对齐状态；

步骤6，阅读器读取书架上rfid电子标签的信息，判断当前对准的书籍是否为目标书籍，如果是则进入下一步骤；

步骤7，伸缩装置伸长，使两个机械臂插入到书架上书籍两侧；

步骤8，电磁夹取装置通电，将书籍夹在两个电磁夹取装置之间；

步骤9，伸缩装置缩短，使电磁夹取装置带着书籍移动到上平台上两个挡板之间，当书籍被放置在两个挡板之间时，电磁夹取装置松开书籍。

本发明中的图书馆智能搬运机器人搬运系统和方法，其有益效果为：

1、使用的电磁夹取装置没有尖爪或棱角，抓取书时，与图书的接触面积较大，抓取书籍柔和，不会使书籍的边缘造成褶皱，也不会把书表面夹烂。

2、不需要对机械臂进行精确的姿态控制，机械臂只需要在水平方向上移动，结构简单控制容易，不容易出现卡滞情况，机械臂的生产和维护成本较较低。

3、升降装置利用剪叉式升降机构伸展开，可以方便地取放高处层架的图书，而且在其结束取放书时，利用剪叉臂形成的平行四边形结构，使升降装置折叠起来，占用空间较小，在搬运机器人的行进过程中不会与其他人员、书架产生碰撞。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为图书馆智能搬运机器人搬运系统的功能模块图；

图2为搬运机器人的结构示意图；

图3为搬运机器人在书架附近的工作状态图；

图4为阅读器的安装结构示意图；

图5为夹取装置的结构示意图；

图6为夹取装置的控制电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，本发明提供了图书馆智能搬运机器人搬运系统，该系统包括机器人、计算机终端和书架。所述机器人和计算机终端无线通信连接，所述书架上安装有多个竖直的隔板，相邻两个隔板之间的空间用于存放一本书籍。

所述机器人包括传感装置、控制装置、执行系统和供电系统，所述传感装置和执行系统分别与控制装置电连接，所述供电系统分别为传感装置、控制装置和执行系统供电。

所述传感装置包括摄像头、陀螺仪、阅读器和超声波传感器，所述执行系统包括存书装置、升降装置和驱动装置。所述控制装置还与wifi模块电连接，所述wifi模块用于与所述计算机终端通信，以接收计算机终端下发的控制指令，以及将机器人的状态反馈给计算机终端。

本实施例中，所述控制装置为树莓派4b开发板，所述阅读器用于读取书架上的rfid电子标签，型号为etag-r110，所述驱动装置为agv小车，型号为lxlr-fr3310l，所述供电系统包括型号为ev24-60的蓄电池。

所述蓄电池能够以220v交流市电充电，所述蓄电池、摄像头、陀螺仪、控制装置和wifi模块均安装在驱动装置上，所述驱动装置外侧具有充电接口，该充电接口与蓄电池电连接。

一并参照图2和图3，所述驱动装置包括车体2、安装在车体2底部的驱动轮3以及安装在车体2内部的驱动电机，所述驱动电机的型号为m3508。所述摄像头1安装在车体2的前侧面，所述控制装置接收摄像头1采集的图像数据后，采用双目识别技术协同基于vgg16卷积神经网络的fasterr-cnn检测方法来躲避机器人前方的障碍物。

所述车体2的顶面上安装有升降装置，所述升降装置的顶部安装有存书装置。在本实施例中，所述升降装置为剪叉式升降机构，包括外剪叉臂4、内剪叉臂5和中间座7，所述中间座7为矩形框，所述中间座7的外侧面上安装有至少一个步进电机6，所述步进电机6的转轴伸入到中间座7内部，并与丝杆9连接，所述丝杆9的末端转动安装在中间座7的内侧面上。所述中间座7的内部滑动安装有两个连接杆8，两个所述连接杆8相互平行，且两个所述连接杆8上均开设有通孔，所述通孔中安装有螺母座，所述丝杆9螺接在螺母座的内部。所述步进电机6的型号为42byg34-401a，与其配套使用的驱动器的型号为tb6600。

两个所述外剪叉臂4的下端分别转动安装在所述车体2的顶面两侧，上端分别滑动安装在所述中间座7的两相对外侧面，且一个所述连接杆8的两端分别伸出到中间座7外部并分别与两个外剪叉臂4的上端转动连接，两个所述内剪叉臂5的下端分别转动安装在所述车体2的顶面两侧，上端分别转动安装在另一个所述连接杆8的两端。

所述存书装置包括上平台10、夹取装置和挡板14，所述挡板的数量为多个，多个所述挡板14相互平行均相邻两个所述挡板之间保持一定距离，多个所述挡板14均垂直固定安装在上平台10的顶面后侧，且相邻两个挡板14之间的距离与书架上相邻两个隔板之间的距离相同。所述夹取装置则安装在上平台10的顶面前侧。

两个所述外剪叉臂4的下端分别转动安装在上述两个外剪叉臂4的上端，上端分别转动安装在所述上平台10的底部两侧，两个所述内剪叉臂5的下端分别转动安装在上述两个内剪叉臂的上端，上端分别转动安装在所述上平台10的底部两侧。处于下方的两个所述外剪叉臂4和处于上方的两个内剪叉臂5均相互平行，处于下方的两个所述内剪叉臂5和处于上方的两个外剪叉臂5均相互平行，因此当所述步进电机6在控制装置的控制下工作时，能够控制所述升降装置升高或降低，以改变所述存书装置所处的高度，适应书架上不同位置的取存书需求。

所述夹取装置包括固定块13、导轨12、滑块11、机械臂20和电磁夹取装置17。所述固定块13的数量为两个，两个所述固定块13分别安装在上平台10的顶面两端，且两个所述固定块13均位于上平台10顶面上远离挡板14的一侧。在本实施例中，所述导轨12中空，其上下两侧面均开设有条状的通槽，所述导轨12内部具有丝杠，所述丝杠安装在同样处于导轨12内部的内置电机的转轴上，所述丝杠上螺接有活动螺母，该活动螺母的上下两侧面分别固定有拉杆，两个所述拉杆分别从两个通槽中伸出，并与所述滑块11连接。

所述导轨12的两端分别安装在两个所述固定块13相对的侧面上，所述滑块11滑动安装在导轨12上，所述机械臂20安装在滑块11上，所述电磁夹取装置17则安装在机械臂20的末端。在本实施例中，所述机械臂20的数量为两个，且相对平行设置，所述电磁夹取装置17的数量也为两个，分别安装在两个所述机械臂20的末端。

在本实施例中，所述滑块11上安装有伸缩装置15，所述伸缩装置15的末端安装有所述阅读器16和超声波传感器，如图4所示。所述伸缩装置15上安装有支柱19，如图5所示，所述支柱19的顶端相对两侧分别安装有伸缩杆18，两个所述伸缩杆18的末端分别与两个所述机械臂20的一端垂直固定连接。所述电磁夹取装置17包括外壳和套设在外壳内部的电磁铁，所述外壳使用硅橡胶制成，用以增大与书籍接触时的摩擦力。

如图4所示，所述电磁铁由继电器控制工作状态，当所述电磁铁中通入的电流使两个所述电磁夹取装置相互吸引时，则处在两个所述电磁夹取装置之间的书籍就可以被稳稳的夹住，而当所述电磁铁中通入的电流使两个所述电磁夹取装置相互排斥时，则被夹在两个所述电磁夹取装置之间的书籍被释放。具体地，所述电磁铁的一端通过电阻r4接地，另一端与继电器的控制端连接，当所述继电器在控制装置的控制下工作时，所述电磁铁的另一端即在接入18v和-15电压之间切换，该18v和-15v电压由电压转换器提供，所述电压转换器的型号为mc34063。

基于以上搬运系统，本发明还提供了图书馆智能搬运机器人的搬运方法，该方法的实施可以参照上述系统的实施，重复之处不再赘述。下面以取书的流程对本发明的方法进行说明：

步骤1，机器人接收计算机终端发送的书籍信息，该书籍信息包括书籍所在书架的位置、书籍在书架上的位置以及与该书籍对应的rfid信息。

步骤2，机器人根据书籍信息进行导航，并移动至对应的书架附近。

步骤3，升降装置升高，当存书装置达到需要的高度时，升降装置停止工作并保持在当前高度。

步骤4，滑块在导轨上移动，使伸缩装置移动至目标书籍前方，并且伸缩装置的轴线处在相邻两个挡板14之间。

步骤5，超声波传感器检测伸缩装置与书架的距离是否小于设定阈值，如果小于，说明伸缩装置前方正对的是书架上的隔板。此时机器人沿平行于书架的方向前后移动一段距离，本实施例中为6cm，直到超声波传感器检测到的伸缩装置与书架的距离大于设定阈值，说明此时挡板和隔板处于对齐状态。

步骤6，阅读器读取书架上rfid电子标签的信息，并与书籍信息中的rfid信息进行比较，判断当前对准的书籍是否为目标书籍，如果是则进入下一步骤，否则返回错误信息给计算机终端，并跳转到步骤10。

步骤7，伸缩装置伸长，使机械臂插入到书架上相邻两个隔板之间，并且两个机械臂处在书籍两侧；

步骤8，伸缩杆缩短使两个机械臂带动电磁夹取装置移动到紧贴书籍两侧的位置，接着电磁夹取装置中的电磁铁通电使两个电磁夹取装置相互吸引，将书籍紧紧夹在两个电磁夹取装置之间。

步骤9，书籍被夹紧后，伸缩装置缩短，使电磁夹取装置带着书籍移动到上平台上两个挡板之间，当书籍被准确放置在两个挡板之间时，电磁夹取装置的电流状态反转，同时伸缩杆伸长，使电磁夹取装置对书籍的夹取力撤去。

步骤10，伸缩装置再次缩短，使机械臂移动到初始位置。

步骤11，升降装置降低到最低高度。

步骤12，执行夹取其他书籍的指令。

步骤13，所有书籍取完后，机器人自动移动到前台附近，结束进程并等待书籍被取走。

至此书籍取用流程就结束了。还书的流程与上述取书的流程相反，在此不再赘述。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。