一种基于RFID技术的多臂快速图书盘点机器人的制作方法

本发明涉及一种快速盘点图书馆在馆图书的机器人，特别是具有多个rfid探测臂，能对机器人两侧书架上的多层图书同时进行扫描盘点。

背景技术

图书的排架清点是公共图书馆的一项基础性工作，目前主流排架清点设备智能化程度不高，扫码清点的效率很低，工作量繁重，图书馆一次完整的在架图书盘点耗费很大的精力，导致很多图书馆排架不及时，排架周期长，图书检索显示的架位信息不准确。据统计，公共图书馆的排架准确率平均在80％左右。造成读者找书不便，明显影响读者阅读体验。

在图书馆的日常维护工作中，书籍的分拣和盘点向来是图书馆管理工作中最耗费人力物力的部分。面对数量如此多的错误、丢失图书，即使工作人员非常仔细也难免疏漏，前来借书的读者常常会找不到想要借的书。近些年出现的超高频rfid、互联网、物联网、人工智能、机器人等技术为解决这个问题提供了思路。可以整合这些技术，设计一款高效率图书盘点机器人对整个图书馆藏书进行自动化盘点，检查是否存在错位图书和丢失等现象，实时更新图书位置信息，告知读者所需图书在书架的哪一层以及在该层的第几本，可以减少读者查找书籍的时间，用于图书管理的新型智能机器人，能够快速准确地分拣、盘点图书，帮助读者准确地找到想要的书。

图书盘点机器人一方面能减轻图书馆日常工作的压力，提高馆员日常工作效率，提升图书馆服务水平；另一方面，图书盘点机器人能大大减少图书借阅者的图书查找时间，提升图书借阅体验。设计一款高效的图书盘点机器人既能大大降低图书馆日常工作负担，又能提升图书借阅者的阅读体验，提高市民文化水平，积极带动社会的文化氛围，从而为响应智慧图书馆建设、打造繁荣宜居的智慧城市做出贡献。

图书机器人在国内外也出现了一些研究用于图书排架盘点应用的案例。新加坡a*star资讯通信研究院的研究人员设计出了一款auross(autonomousroboticshelfscanningsystem)机器人，利用激光和超声波引导机器人，能够夜间在图书馆自动穿梭，通过扫描书上的rfid标签报告丢失或放错位置的书籍。{gb/t7714lir,huangz,kurniawane,etal.auross:anautonomousroboticshelfscanningsystem[c]intelligentrobotsandsystems(iros),2015ieee/rsjinternationalconferenceon.ieee,2015:6100-6105.}。长春市海纳软件信息技术有限公司发明了一种rfid图书盘点装置{专利cn206484568u}，这款机器人为人工整理图书提供路径引导和规划，但不能自主地通过rfid扫描盘点图书架上的错位图书。沈阳新松机器人自动化股份有限公司发明了一种图书信息自动采集装置{cn107545284a}，将rfid安装在了一个可以上下滑动的支架上用来扫描不同层高的图书，但无法做到多层图书同时扫描，效率还是很低。南京大学图书馆联合计算机学院自主研发了基于超高频rfid的图书盘点机器人{专利cn201610049800.1}，能够自主寻书，高效盘点，可以自主充电。机器人通过激光传感器进行自主导航，通过一个可升降的rfid读写天线逐排逐层读取书架上的图书，实时收集图书信息，一台机器人1小时能够读取数千余册图书的准确信息。

但是以上这些已有的图书盘点机器人都有一些共同的特点：(1)rfid探测器数量少，只能通过升降的方式，对图书馆藏书进行逐排逐层扫描，机器人在作业时会进行大量的重复运动，工作效率较低。(2)升降方式都是通过伸缩杆的方式进行升降，机器大而笨重，无法满足图书馆环境下对机器人美观程度的要求。(3)都是采用逐层逐排遍历的方式进行图书扫描，图书馆环境下在机器人两侧都有很多层图书，这样的扫描作业方式耗费时间长，效率低。综上所述，由于目前的图书机器人受限于rfid的连续识别速度，行驶速度缓慢，通常采用逐层扫描的方式工作效率过低，难以实现高效迅捷的图书盘点工作。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种可高效率进行图书扫描作业的图书盘点机器人。技术方案如下：

一种基于rfid技术的多臂快速图书盘点机器人，包括机身，底盘，设置在底盘下的驱动轮和被动轮，分别位于机身靠上部位两侧的两个剪叉式升降机，多个伸缩推杆及相应的电机和rfid传感器、机器人控制器。其中，

机身靠上部位设置有用于收纳两侧剪叉式升降机的腔体，在每侧的剪叉式升降机下方，根据书架层高，设置有不同的孔洞，用于收纳各个伸缩推杆及相应的电机，在每个伸缩推杆的端部固定有rfid传感器；

每个剪叉式升降机包括设置在底板上的剪叉式支架，剪叉式支架底部的一端通过铰链方式固定于底板上，另一端固定在滑轮上，升降推杆电机的一端与铰链固定连接，另一端与滑轮固定连接，通过升降推杆电机的伸缩带动滑轮在底板上滑动实现剪叉式升降机的升降；在剪叉式支架的各级交叉处，分别固定有伸缩推杆及相应的电机，在每个伸缩推杆的顶端分别固定有rfid传感器。

优选地，在机身顶部固定有激光导航雷达，在底盘两侧分别设置有激光测距传感器；在底盘前部设置有超声波避障传感器。

本发明的机器人不仅可以遍历扫描书架，获取图书的序列号和位置等信息；而且还能通过多臂对多排多层的图书同时并行进行扫描，效率更高，rfid传感器之间的距离灵活可调，可以适应不同层高的图书书架；另外还能兼顾美观性的要求，在不进行扫描作业时将rfid传感器收缩至机器人外壳内，保护rfid传感器，运动灵活。

附图说明

图1为本发明的图书盘点设备的整体结构组成部分。

图2为本发明的图书盘点设备进行图书扫描作业时，所有伸缩机构展开时的效果图。

图3为本发明的剪叉式升降机的细节结构图。

图4为本发明的剪叉式升降机收缩起来的效果图。

图5为本发明定位导航方法的流程图。

图6为本发明在书架间循迹的示意图。

图7为本发明图书盘点工作时的示意图。

图8为本发明的图书信息扫描比对流程。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

参考图1至图5，本发明提供的图书盘点机器人，核心装置主要包括图书盘点机器人的剪叉式升降机，水平伸缩推杆及电机，rfid传感器，激光测距传感器和超声波避障传感器。

如图1所示，激光导航雷达1安装于机器人的顶部。图书盘点机器人左右两侧对称，每侧都安装有剪叉式升降机2，剪叉式升降机在机器人不工作时可收缩至外壳内，当机器人工作时，剪叉式升降机可水平滑出。在机器人左右两侧的剪叉式升降机下方，安装有三个固定在机器人本体上的水平伸缩推杆上的rfid传感器，分别为上水平伸缩推杆上的rfid传感器3，中水平伸缩推杆上的rfid传感器4，下水平伸缩推杆上的rfid传感器5。在机器人底盘左右两侧，分别安装有的主驱动轮6和前被动轮9，后激光测距传感器7和前激光测距传感器8安装于底盘侧面。在机器人底盘的前部，安装有右超声波避障传感器10，中超声波避障传感器11和左超声波避障传感器12。在机器人进行图书扫描作业时，图1中机器人两侧的剪叉式升降机2和水平伸缩推杆上的rfid传感器3、4、5等伸缩装置可以完全打开，当图书盘点机器人在书架间工作时，剪叉式升降机2负责扫描两侧书架4至6层的图书，水平伸缩推杆上的rfid传感器3、4、5分别负责扫描两侧书架第3层、第2层和第1层的图书，这些伸缩装置完全打开的效果如图2所示。

图1中剪叉式升降机2的具体细节如图3所示。剪叉式升降机中的剪叉式支架2-1安装在底板2-2上，剪叉式支架底部的一端通过铰链2-3的方式固定于底板2-2上，另一端安装在滑轮2-4上。升降推杆电机2-5的一端固定在铰链2-3上，另一端与滑轮2-4固定在一起，升降推杆电机2-5通过伸缩带动滑轮2-4在底板2-2上滑动实现剪叉式升降机的升降。在剪叉式支架2-1每一级的交叉处，分别安装有下伸缩推杆电机2-6、中伸缩推杆电机2-7和上伸缩推杆电机2-8，在这三个推杆电机的顶端分别安装有下rfid传感器2-9、中rfid传感器2-10和上rfid传感器2-11。在机器人进行图书扫描作业时，先通过控制升降推杆电机2-5使得三个rfid传感器2-9、2-10、2-11分别与两侧书架的第4、5、6层图书垂直等高，然后再控制三个伸缩推杆电机2-6、2-7、2-8使三个rfid传感器2-9、2-10、2-11与图书的水平距离足够近，从而保证图书扫描的准确率。当完成图书扫描工作，剪叉式升降架收缩至机器人壳体内部时，其效果如图4所示。

图书盘点机器人的盘点方法包括机器人的定位导航、图书信息扫描比对两个部分。

如图5所示，机器人的定位导航分为三个阶段：一，机器人由待机起点前往工作地点书架的阶段；二，机器人在书架间穿梭循迹进行图书rfid扫描作业的阶段；三，机器人完成扫描返回待机起点的阶段。

在第一阶段和第三阶段，机器人通过图1中的激光导航雷达1，自主感应周围环境，建立图书馆内环境的栅格地图。机器人通过梯度下降算法，实时选择去往目标点之间的最优路径。通过图1中的超声波避障传感器10、11、12，能发现高度较低的近距离障碍物，避免机器人与障碍物发生碰撞。

如图6所示，在第二阶段，机器人到达书架之间，机器人本体13在书架间沿着中心线14行驶。机器人依靠两侧的激光测距传感器7、8、15、16，探测机器人距离书架下边沿的路径17、18、19、20的距离长短，控制机器人沿着中心线14行走。在这个阶段，机器人下方的超声波避障雷达10、11、12，探测机器人前方的近距离障碍物，防止机器人碰撞到走道中的障碍物；机器人上方的激光导航雷达1探测机器人前后的远距离障碍物，规划机器人的运动路径。机器人图书扫描作业如图7所示。

图书信息扫描比对方法如图8所示。机器人上的rfid传感器21会感应到书架上图书22内的图书标签23，读取图书标签内的图书编号。rfid传感器21通过有线连接将图书编号传输到机器人上的数据处理单元24，机器人上的数据处理单元24将图书编号、扫描到该图书编号的rfid传感器编号、机器人目前在图书馆内的书架位置等信息一同通过无线网络实时发送给图书馆的台式服务器25，台式服务器25将图书的位置信息与图书馆数据库26中的图书位置进行比对，台式服务器25将摆放位置错误的图书信息保留起来。

本发明的图书盘点机器人工作流程如下所述：

[1]图书盘点机器人停在图书馆内充满电，等待图书馆闭馆。

[2]图书馆闭馆后，图书盘点机器人加载所在楼层的地图，开启机器人上的激光测距传感器7、8、15、16，超声波避障传感器10、11、12，激光导航雷达1等传感器。

[3]图书盘点机器人根据所处位置、楼层地图和所在楼层的书架分布，规划图书扫描作业的遍历路径。

[4]图书盘点机器人控制器读取激光导航雷达1的数据，结合图书馆楼层的地图，对机器人位置进行实时定位，自主导航至书架工作地点。

[5]通过激光测距传感器7、8、15、16和激光导航雷达1，微调机器人的位置到目标扫描书架通道的入口处。

[6]图书盘点机器人控制两侧的剪叉式升降机2和12个水平伸缩推杆上的rfid传感器展开至合适位置，开启所有rfid传感器的数据读取。

[7]通过激光测距传感器7、8、15、16控制图书盘点机器人在书架间通道内沿中心直线14行走，依次读取所有rfid传感器扫描到的图书编号信息。

[8]机器人的数据处理单元24将扫描到图书编号、对应的rfid传感器编号、机器人位置等信息上传至图书馆台式服务器25。台式服务器25将图书位置与图书馆数据库26中的图书位置进行比对，并记录错误位置图书信息。

[9]图书盘点机器人完成当前目标书架的图书扫描，通过激光测距传感器7、8、15、16和激光导航雷达1判断机器人是否到达书架的尽头；若未到达书架尽头，则重步骤[7]和步骤[8]进行扫描当前书架图书；若到达当前书架尽头，则进行步骤[10]。

[10]图书盘点机器人关闭所有rfid传感器的数据读取，控制机器人两侧剪叉式升降机2和两侧水平伸缩rfid3、4、5传感器向机器人壳体内缩起，避免前往下一排书架过程中rfid传感器碰撞到书架。

[11]根据步骤[3]规划的图书扫描遍历路径，利用激光导航雷达1导航机器人前往下一个目标书架通道的入口处。

[12]重复步骤[5]-[10]，直至完成图书馆内所有书架的图书扫描作业。

[13]通过激光导航雷达1，导航至机器人的待机点进行自动充电。

[14]机器人完成当天的图书扫描作业，关闭所有传感器，等待下一天的图书馆闭馆时继续扫描。

总之，本发明的图书盘点机器人，安装了12个rfid传感器，可同时并行进行扫描作业，通过可折叠伸缩架的方式控制rfid传感器的升降，在不进行图书扫描作业的时候，外观与一般的机器人类似；在进行图书扫描作业时，通过可折叠伸缩架将rfid传感器推出机器人壳体，进行图书扫描作业，可以分别控制12个rfid传感器水平方向的伸缩，提高了工作效率。