面向智能档案库房档案存取的仿生机械手_崔林威.pdf

【154】第45卷 第02期 2023-02收稿日期：2021-01-29基金项目：国家档案局科研项目（2019-X-42）作者简介：崔林威（1997-），男，河南驻马店人，硕士研究生，研究方向为测控技术与智能系统。通讯作者：崔建伟（1969-），男，山西长治人，副教授，博士，研究方向为机器人感知与遥操作机器人技术。面向智能档案库房档案存取的仿生机械手Bionic access manipulator for densely placed files崔林威1，于 淼2，张 颖3，姜汇策1，崔建伟1*CUI Lin-wei1，YU Miao2，ZHANG Ying3，JIANG Hui-ce1，CUI Jian-wei1*（1.东南大学 仪器科学与工程学院，南京 210096;2.江苏省电力试验研究院有限公司，南京 210096;3.国家电网江苏省电力有限公司，南京 210096）摘 要：在档案库房智能化建设中，不改变档案架结构下实现档案的自主存取是一技术难点。仿生人手存取档案的动作，设计了一种面向密集摆放档案存取的仿生机械手，主要包括：1）夹取手掌，模拟人手抓取档案的动作进行档案夹取；2）真空吸盘，模拟人手抽出档案的动作将档案吸出；3）导引手掌，模拟人手存取档案时将待存取档案两侧的档案撑开或抵住的动作；4）测控电路，实时控制和反馈各电气模块的工作状态。能够在不改变原有档案架设计的基础上，代替人力存取不同厚度、不同摆放形式的档案，从而提高档案管理人员的工作效率，推动无人值守档案库房的建设。关键词：档案库房；自主存取；仿生机械手；夹取手掌；真空吸盘中图分类号：TP241 文献标志码：A 文章编号：1009-0134(2023)02-0154-050 引言档案工作关系国计民生，其社会化服务的需求日益旺盛，档案库房的内部建设与日常管理直接制约着档案资源的有效利用1。目前我国大部分地区仍使用传统档案库房，档案的入库、出库均通过人力来完成，由于档案数量逐年增多，存取效率将越来越低。因此在不改变现有档案库房建设的基础上，设计仿生机器人模拟工作人员实现档案的自主化存取工作，将大大提高档案利用效率，推动智能档案库房建设工作的进展和社会的进步。目前涉及档案智能化存取的机器人研究并不多，有关设计多面向图书馆内图书的存取。图书馆智能化机器人技术起源于20世纪90年代2，国外学者如美国约翰霍普金斯大学研发了图书自动存取机器人，可以通过机械手实现图书的抓取与存储3，但需改进书架结构、图书排列需较为松散；V.S.Prabhu等学者设计了基于物联网的图书管理机器人，通过机械手爪开合实现不同厚度图书的夹取，但机械手扩展性不够高，夹取图书效率较低4。我国档案库房的智能化工作开展较晚，研究成果有八益集团研发的超智馆库机器人，可实现档案自主存取的完整流程，但需要对现有库房进行改造，将档案放置在“栅格”中进行夹取5,6；国家电网山东省电力公司王瑞等研发的机器人利用拨书手指将档案拨出，气缸控制机械手前进或后退，并实现档案夹取，该系统在利用拨书手指拨出档案时易使档案倾斜，夹取时档案也易发生倾斜7。另外，国内学者也有一些研究成果，对于档案存取机器人的研制有一定借鉴，如文献8介绍的具有吸附功能的灵巧手，通过建立真空环境实现板类材料的抓取。由于档案属于纸质材料，且侧面平整，使用真空吸盘吸取档案有利于密集档案的吸取。现有档案存取机器人在完成档案存取工作时存在以下问题：1）需要改变现有档案架结构；2）受相邻档案挤压影响不能将档案从架体中有效抽出；3）夹取档案时，因手掌夹得过紧而使档案变形。本文针对以上问题，研发了可应对不同档案厚度以及档案摆放密集程度的仿生存取机械手，根据人手存取档案的流程将存取流程分为导引手掌撑开档案、真空吸盘抽出档案和夹取手掌夹取档案，具有不损坏档案、不改变现有档案架设计的优势。1 系统整体方案本系统旨在在不改变档案架设计结构的基础上，模拟人手抓取档案，图1为人手抓取档案的过程，左图为从密集架中拨出档案，右图为抽出档案，本系统结合这两个动作并进行优化，设计了集夹取、吸取、撑开与固定两侧档案于一体的仿生机械手。设计方案具有以下功能：1）通过微控制器控制气缸实现真空吸盘的前后移动，利用电机控制夹取手掌精确抓取，并配合多种传感器实现动作的反馈，实现系统闭环控制；2）存取档案时，导引手掌可插入档案间的空隙或抵住待夹取档案两侧的档案，从而消除两侧档案对档案存取的影响。第45卷 第02期 2023-02【155】图1 档案存取机械手设计图为模拟人手存取档案，本文结合图2和图3设计了档案的存取流程。如图2所示为取档案流程：1）夹取手掌张开，同时位于夹取手掌前端的导引手掌抵住待夹取档案两侧的档案；2）真空吸盘推出，直至接触到档案表面并建立真空；3）利用吸盘将档案吸取出来；4）档案完全到达机械手内部，吸盘仍吸取档案防止档案掉下；5）夹取手掌夹取档案。图2 档案取出流程图如图3为存入档案的流程图，流程设计如下：1）档案位于机械手内部，导引手掌插入两侧档案的空隙中，夹取手掌松开较小距离以便档案推出；2）真空吸盘向前移动，档案顺着导引手掌进入到空隙中；3）此时完成档案的存入；4）将真空吸盘收回来，恢复到初始状态。图3 档案取出流程图2 硬件模块及结构设计本部分介绍档案存取机械手的硬件结构，主要包括气动控制模块、夹取手掌、导引手掌和测控电路，其中整体设计示意图如图4所示。1.导引手掌；2.仿生手掌；3.真空吸盘图4 存取机械手机械设计图2.1 气动控制模块气动控制模块包括两部分：1）移动模块：包括正压泵、换向阀、气缸、节流阀；2）吸取模块：包括真空泵、真空吸盘架、气压传感器和电容开关传感器，移动模块通过前后移动带动吸取模块前后移动，实现对档案的吸取以及将档案吸入机械手内部或从机械手内部推出来。BBBAAA正压泵三通阀换向阀节流阀气缸1滑块气缸2滑块图5 气路设计图移动模块气路图如图5所示，正压泵用于向外打气；换向阀采用两位五通气动电磁阀，控制气体的流出方向；节流阀调节流入或流出气缸1和气缸2的气体体积，实现两气缸同步前进或后退。当气体沿气路A流动时，气缸上的滑块向右移动，当气体沿气路B流动时，滑块向左移动。真空吸盘架包括一个总吸气口和5个用于安装吸盘的气口，能够从档案的侧面吸住档案；气压传感器用于测量吸盘内部的压强；电容开关传感器用于检测铝质吸盘架是否收回，从而控制吸盘架停止。吸取模块的设计图如图6所示。1.导气管；2.吸盘图6 吸盘设计图【156】第45卷 第02期 2023-02其中P为真空泵的真空度，S为吸盘的面积。利用公式1计算可得本系统的吸盘吸力达到6kg，可以克服档案的重量和摩擦力完成吸取。210(101)FPS=(1)2.2 夹取手掌仿生手掌夹取模块用于实现档案的精确夹取，其详细设计图如图7所示，主要包括夹取手掌、步进电机、驱动器、双向丝杆和激光开关传感器。仿生手掌模拟人手设计，进行档案的夹取。电机齿轮、丝杆和仿生手掌相连接，驱动器驱动电机转动，从而带动双向丝杆左右移动，夹取手掌随着丝杆的移动进行左右开合。1.夹取手掌；2.双向丝杆；3.轴承；4.步进电机图7 夹取控制模块设计图为了实现夹取模块对档案的软夹取，即在夹取时不磨损、挤压档案，采用脉冲控制步进电机实现夹取手掌的开合距离均为准确距离。同时，采用激光开关传感器确定机械手的初始位置，使得机械手每次完成动作后均回到初始位置，避免夹取手掌因初始位置不确定带来控制的不准确性。2.3 导引手掌在实际存取档案的过程中，往往会遇到以下两种情况：1）当档案在档案架上密集放置时，在取出一个档案后，其两侧档案受摩擦力地影响也会被带出来；2）在存入档案时，两侧档案发生倾倒也会影响档案的存入。为解决该问题，本文设计了导引手掌，在取档案时抵住两侧的档案，这样两侧的档案就不会被带出来；在存档案时可插入到两档案间的缝隙中，档案就可顺着导引手掌进入到两档案之间。导引手掌安装于夹取手掌前端，如图4中模块1即为导引手掌。2.4 测控电路测控电路用于驱动机械手上的各电气模块，包括微控制器、Mos管开关模块、蓝牙通信模块等，电气连接示意图如图8所示。微控制器MOS开关2MOS开关3MOS开关1换向阀负压泵正压泵步进电机驱动器电容开关传感器激光开关传感器步进电机激光测距传感器P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.75VGNDRXDTXD 蓝牙 TXDRXD图8 控制电路电气连接示意图微控制器起到以下作用：1）发送指令控制Mos管开关模块的通断，从而达到控制正压泵、负压泵和换向阀是否供电；2）发送控制脉冲驱动步进电机实现仿生手掌的开合；3）获取传感器的数据；4）通过蓝牙模块进行无线通信，发送远程指令。传感器用于采集数据，反馈各电气模块的工作状态。其中电容开关传感器用于检测真空吸盘架是否完全返回到机械手内部，当触碰到电容开关传感器后，传感器内部电平会转变；激光开关传感器用于检测夹取手掌是否返回初始位置，当到达初始位置其内部电平会发生转变；激光测距传感器用于测量机械手到档案架得距离，便于精确夹取。3 系统软件设计本文设计的档案存取机械手在完成档案的下架和上架作业时，需要进行软件设计，包括气动模块控制算法、夹取模块控制算法、上下架流程算法。3.1 气动模块控制算法 本系统的结构设计中，吸盘架与气缸上的滑块相连，通过气缸上滑块的移动实现吸盘架的移动，在设计气动模块控制算法时，需要结合气压传感器和电容开关传感器判断吸盘架位置以及是否吸取到档案。本部分程序设计流程图如图9所示，利用微控制器通过驱动MOS开关1对正压泵上电、MOS开关2控制换向阀改变气缸滑块的移动方向、MOS开关3控制负压泵是否上电。ynnMOS开关1打开开始向外充气正压泵下电，吸盘架停止移动MOS开关2打开吸盘架向前移动吸盘架向后移动MOS开关3打开吸盘吸取档案停止吸取档案气压传感器真空度50kpa吸盘吸取到档案吸盘未吸取到档案电容传感器测量电平为低电平吸盘触碰到传感器，停止移动吸盘未触碰到传感器，停止移动ynyynyn图9 气动控制模块算法设计第45卷 第02期 2023-02【157】3.2 夹取模块控制算法档案外壳为纸质材料，在利用夹取手掌进行夹取时要精确控制手掌开合的距离，本文在进行软件设计时，利用手掌开合距离与电机控制脉冲数的转换关系实现档案的准确夹取。本文设计的手掌初始位置受激光开关传感器的限制，夹取手掌工作前均位于该初始位置，在此基础上进行脉冲控制。初始位置时夹取手掌张开宽度为S1，在工作之前夹取手掌松开距离为S2，此时的张开距离足以完成不同厚度档案的夹取，在夹取时根据远程指令发送的档案厚度进行夹取即可，具体电机脉冲数如式(2)所示：_(123)100mccountSSS=+(2)其中mc_count为步进电机驱动的脉冲数，S3为远程发送的档案厚度，100为夹取距离与步进电机转动脉冲数之间的关系，与初始位置和丝杆齿轮数之比有关。3.3 档案上下架算法在完成了气动控制模块和夹取模块的算法设计之后，需要对存取机械手完成档案上下架的流程算法进行设计，实现档案上下架自主完成。1）档案下架算法：本模块流程算法包括以下步骤：（1）机械手初始化：夹取手掌移动到初始位置处；（2）夹取手掌松开距离S2：主控制器为驱动器提供信号，控制步进电机正方向转动；（3）MOS开关1、2、3均打开，此时气缸带动吸盘架向前移动，按照图2所示的流程图进行工作，直到吸盘架上的吸盘吸住档案（气压传感器检测到负压），关闭MOS开关2，气缸向后移动，直到吸盘架触碰到电容传感器，关闭MOS开关1；（4）仿生手掌夹取：通过远程发送的档案厚度控制手掌夹取，保证刚好夹住档案，进而完成档案取出。2）档案上架算法：档案上架流程与下架流程相反，当档案处于存取机械手系统内部，只需要在夹取手掌松开后，利用气缸带动吸盘手前进即可将档案从系统内部推至两档案之间即可。对于倾倒的档案来说，并不能直接将档案推进去，此时可以利用导引铁片，如图3所示，首先导引铁片进入到两档案之间的缝隙中，此时再利用气缸推档案，即可将档案推入缝隙中，实现上架。4 存取机械手调试4.1 实验环境本文设计的仿生机械手在国家电网江苏省电力公司检修分公司智能档案库房进行了调试，在调试时在机械手上部加装了无线摄像头，用于档案的定位，同时将机械手安装在机械手以及移动小车上，用于多层档案的夹取。整体环境如图10所示。图10 智能档案库房档案摆放图4.2 测控电路板控制电路板包括单片机、传感器及外围驱动模块设计，如图11所示为存取机械手主控电路板。图11 档案存取机械手测控电路4.3 下架实验在进行下架实验时，首先由远程控制终端向存取机械手发送指令，然后按照4.3（1）节中设计的流程算法进行档案的下架。正压泵推动气缸带动吸盘架向前移动，直至吸取到档案，该过程中气压传感器的数据曲线如图12所示，当气压在10kPa左右时即说明已经吸取到档案，接着改变气缸运动方向，将档案收回到存放到机械手内部，完成下架实验。图12 取档案过程吸盘气压变化曲线如图13(a)为存取机械手移动到档案所在位置准备吸取档案，图13(b)为真空吸盘吸取到档案。【158】第45卷 第02期 2023-02 (a)(b)图13 档案上架实验4.4 上架实验在进行档案的上架实验时，首先将存取机械手的导引铁片插入到档案之间的缝隙中，然后松开夹取手掌，并将档案推出来，接着再将吸盘架收回来，最后夹取手掌复位至初始位置即完成档案上架。如图14为将机械手内部的档案放入档案架的实验，其中图14(a)中显示了档案间的空隙，图14(b)为导引铁片插入到空隙中，图14(c)为上架完成后的图片。(a)(b)(c)图14 档案上架实验5 结语本文设计了一种面向智能档案库房档案自主存取的仿生机械手，并详细介绍了仿生机械手的硬件、软件设计方案及调试情况。该仿生机械手能在不改变现有档案架设计结构的情况下，完成档案存取作业，可有效提升现有档案库房的档案存取自动化程度。未来还需要对仿生机械手的操作流程和机械结构进行进一步优化，以适应更复杂的档案存取场景。参考文献：1 王啸峰.档案库房智能管理机器人可行性研究J.档案与建设,2019(3):55-56,59.2 赵志光.图书馆智能化机器人三项关键技术的研究与探讨J.山东图书馆学刊,2017(5):63-66.3 Suthakorn J,Lee S,Zhou Y,et al.A enhanced robotic library system for an off-site shelving facilityJ.Springer Tracts in Advanced Robotics,2006,24:437-446.4 Prabhu V.S.,Abinaya R.M.,Archana G.,Aishwarya R.IoT-Based Automatic Library Management RobotC.Advances in Smart System Technologies-Select Proceedings of ICFSST,2019:567-575.5 宁波八益集团有限公司.档案库房机器人管理系统:中国,CN201922183800.2P.2020-06-23.6 宁波八益集团有限公司.机器人主体(馆库):中国,CN202030013600.8P.2020-07-17.7 Wang Rui,Wu,Changjing,Liang Jian.Archives Robot Research Based on Manipulator and Visual NavigationC.Proceedings of 2020 IEEE 5th Information Technology and Mechatronics Engineering Conference,ITOEC,2020:819-822.8 吴浪,姚辉学,董鑫.一种工业机器人手部创新设计J.科技经济导刊,2019,27(22):37-38.