CN112318500A - 基于图书馆动态空间基础的图书高精度抓取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图书馆动态空间基础的图书高精度抓取方法，包括以下步骤：图书管理后台检查图书配送机器人；图书配送机器人移动至初始位置待机；图书管理后台收集订单信息，并将订单信息发送给图书配送机器人；图书配送机器人根据订单信息进行路径规划；图书配送机器人根据规划的路径移动至指定书架，执行三级定位程序；图书配送机器人执行机械手抓取图书程序，并将抓取的图书存放至图书配送机器人自带的暂存书架上；判断是否完成所有订单，若未完成，则执行下一图书的抓取任务；若已完成，则返回初始位置，等待接收新的订单信息。本发明具有对现有图书馆改造成本低、用户交互体验好、等待时间短等优点，具有较大的经济、社会效应。

Description

基于图书馆动态空间基础的图书高精度抓取方法

技术领域

本发明属于智能图书馆领域，具体是一种基于图书馆动态空间基础的图书高精度抓取方法。

背景技术

近年来，随着图书行业的快速发展，书籍、文献的种类也越来越多，为了便于书籍的查阅，现有书籍大多存放于书架上，因此书架也成为图书馆等地方的必须设备。传统书架的架体上通常设置有多个存放图书的空格，方便插放各类不同的书籍，为了最大限度地利用书架内的空间，书本一般都是采用立式并排的方式放置，为方便读者查阅，一般都是将相同种类的图书放置在一起，由于不同种类的图书都在同一排的位置，相邻的书本之间一般夹得较紧，没有可供拿取的空间，拿取很不方便，并且在书本拿出后，原有空间容易被其他书本占用，导致书本再次***原位更为困难，这样就导致读者在归还书籍时会将书籍在容易放置的位置***，使书本的位置容易发生变化，不便于大量书籍的同一管理和读者的查阅。

针对传统书架存在的上述问题，相关技术人员也提出了很多改进方案。如中国专利号ZL201520242335.4，授权公告日为2015年8月19日，发明创造名称为：一种书柜，该申请案涉及一种书柜，包括柜体，柜体内设有若干个并排设置的书盒，书盒可由柜体内移出，每个书盒的底部设有可将其从柜体内移出的推出装置，推出装置包括开设在书盒底面上的矩形凹槽，凹槽内固定连接有齿条，齿条上传动连接有驱动齿轮，所述隔板上开设有长槽孔，驱动齿轮转动连接在长槽孔内，柜体内还设有可分别带动每个书盒底部的驱动齿轮转动的驱动装置。该专利申请案采用拨叉来切换齿轮啮合位置来实现电机驱动书盒推出，在一排设有多个书盒，取书时需要先将拨叉调节到对应位置出，然后在启动电机，使得书盒被传动推出，这种方式操作较为繁琐，且在书架较长时，需要读者移动拨叉的距离很长，操作更加繁琐，导致取书效率很低，且中间齿轮之间的阻挡也会使拨叉移动不畅，影响取书操作正常进行，实用性不强。

又如中国专利申请号201710296774.7，申请公布日为2017年4月28日，发明创造名称为：一种智能推送书架，该申请案的智能推送书架包括书架本体，在书架本体上设置有放书槽，在放书槽的底部设有滑轨，在放书槽内设有有托架，托架包括背板及底板，在底板的底部设置有滑轮，底板可沿滑轨前后移动，在背板后部设置有液压推送装置，液压推送装置由伺服电机控制，在书架本体内设置有控制器，控制器控制伺服电机。该申请案能够实现书籍的自动推送，使得书籍拿取更加方便，但其在每个放书槽后部均需设置伺服电机和液压推送装置，结构设计较为复杂，制作成本很高，同样实用性较差。

现有图书馆智能化改造过程中，存在以下问题：书籍空间位置杂乱且不固定、书籍厚薄不均、书籍尺寸差异大且绝对尺寸小、在馆读者与执行机器相互影响、自动化程度低、用户交互体验差等。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于图书馆动态空间基础的图书高精度抓取方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于图书馆动态空间基础的图书高精度抓取方法，包括以下步骤：

S1，图书管理后台检查图书配送机器人(一天一检)；

S2，图书配送机器人移动至初始位置待机；

S3，图书管理后台收集订单信息，并将订单信息发送给图书配送机器人；

S4，图书配送机器人根据订单信息进行路径规划；

S5，图书配送机器人根据规划的路径移动至指定书架，执行三级定位程序；

S6，图书配送机器人执行机械手抓取图书程序，并将抓取的图书存放至图书配送机器人自带的暂存书架上；

S7，判断是否完成所有订单，若未完成所有订单，则返回步骤S5，执行下一图书的抓取任务；若已完成所有订单，则返回步骤S2，等待接收新的订单信息。

具体地，步骤S1具体包括：

S11，图书配送机器人基本功能检测：图书管理后台给图书配送机器人发送启动信号，图书配送机器人收到启动信号后向图书管理后台发送第一反馈信号；若5秒内图书管理后台未收到第一反馈信号，则判定为图书配送机器人信号或通电故障，并通知图书管理员检查图书配送机器人故障；若5秒内图书管理后台接收到第一反馈信号，则进行剩余电量检查，若剩余电量小于12Ah，则通知图书管理员电量过低，需要对图书配送机器人进行充电；若剩余电量大于12Ah，图书配送机器人向图书管理后台发送第二反馈信号；

S12，图书配送机器人运动参数校准：配送机器人向前/向后移动3秒，通过车轮处角位移传感器记录配送机器人直线前进/后退运动的角位移；将记录的角位移与预设的配送机器人直线运动3秒的角位移进行对比，如果差值大于0.1％，则通知图书管理员配送机器人故障；如果差值小于0.1％，配送机器人向图书管理后台发送第三反馈信号；

S13，图书配送机器人的机械臂运动参数校准：机械臂直线运动2秒，通过在机械臂直线电机处布置的线位移传感器记录机械臂直线运动的线位移；将记录的线位移与预设的机械臂直线运动2秒的线位移进行对比，如果差值大于0.1％，则通知图书管理员机械臂故障；如果差值小于0.1％，则执行机械臂旋转运动1秒，通过在机械臂旋转电机处布置的角位移传感器记录机械臂旋转运动的角位移；将记录的角位移与预设的机械臂旋转运动1秒的角位移进行对比，如果差值大于0.1％，则通知图书管理员机械臂故障；如果差值小于0.1％，配送机器人向图书管理后台发送第四反馈信号。

具体地，步骤S2中，配送机器人移动至初始位置待机的方法为：通过设置在配送机器人底部的摄像头扫描设置在图书馆地面初始位置的标记点，若摄像头未扫描到标记点，则配送机器人按照“回”字形外扩路径运动，直到扫描到标记点；若摄像头扫描到标记点，配送机器人向图书管理后台发送第五反馈信号。

具体地，步骤S3中，图书管理后台收集用户订单信息，每隔一分钟检查一次订单数量是否大于20或者订单内的图书总数量是否大于40；若订单数量大于20或者订单内的总数量大于40，图书管理后台将订单信息和对应的图书信息打包，并将打包信息发送给图书配送机器人。

所述订单信息包括：用户账号、图书编号、图书标识码、存取书架位置编号；所述图书信息包括：图书编号、图书厚度、图书对应的书架编号及其位置、图书在书架上对应的定位模块编号。

具体地，步骤S4中，图书配送机器人进行路径规划的方法为：首先构建整个图书馆内部的静态地图，再将订单中待抓取图书对应的书架位置信息投影至所述静态地图上，通过狄克斯特拉算法得到当前楼层最短路径，判断当层楼层是否为最后一层楼层。如果不是，则分析下一楼层，得出下一楼层最短路径，直到得出所有需要遍历的楼层的最短路径。结合楼层遍历顺序，将各个楼层最短路径拼接，最终得到全局的最短路径。

所述静态地图包括：每个楼层过道位置信息及其宽度、电梯位置、杂物摆放区位置及大小信息、各个书架位置及大小信息、各个书架对应的定位点信息；

所述位置信息包括图书所在楼层、图书所在书架、图书所在书架上的坐标(第几行、第几列)；

所述楼层遍历顺序确定的方法为：通过获取订单信息数据包内的位置信息，生成订单内图书的空间位置数据，将图书按照楼层进行分类，判断需要前往的楼层(总共需要前往哪些楼层)，结合配送机器人此时所在的楼层，通过电梯调度算法得出最佳的楼层遍历顺序；

具体地，步骤S5中，图书配送机器人根据规划的路径移动至指定书架的流程包括：

精准定位流程：首先抽象出图书配送机器人模型和行驶道路模型，然后将模型投影到静态地图中，得到图书配送机器人在图书馆内的绝对位置和相对位置关系；根据静态地图中的坐标数据和得到的位置信息计算图书配送机器人的行驶状态参数；同时通过图书配送机器人轮子上的角位移传感器实时检测配送机器人的位移数据，用于对图书配送机器人的位置信息进行修正；

动态地图构建流程：在配送机器人移动过程中，通过设置在配送机器人前方的双目视觉摄像***实时获取视野内的物体信息，并将获取到的物体信息投影到静态地图上，即构建动态地图；通过双目视觉提取标签空间特征并进行分类、标记、编码及建立模型，然后建立标签图像进行空间检索及定位，提取特征、计算相似度并进行坐标聚类，最后分类。最终可以通过摄像头得到视野内物体信息。

自动避障流程：配送机器人按照预定路径移动过程中，设置在配送机器人周围的激光雷达周期性(每隔2s)的检测周围20cm范围内障碍物信息，如果检测到有障碍物，配送机器人立即停止运动，同时启动配送机器人上的报警器；如果20秒内，激光雷达检测到周围无障碍物，则配送机器人继续按照预定路径移动；如果20秒后，激光雷达检测到周围有障碍物，则配送机器人向左/向右绕行后再回归预定路径继续移动；

自动乘坐电梯流程：当配送机器人根据预定路径移动至当前楼层的电梯前方时，配送机器人向电梯控制模块发送确认信号以及下一步所去楼层信息，电梯控制模块收到信号后检查现行方向，若电梯现行方向与配送机器人要前往的楼层方向不一致，则等待1分钟后再检查；若一致，则电梯控制模块检查电梯内部剩余空间是否满足配送机器人进入，若不满足，则等待1分钟后再检查；若满足，则电梯控制模块控制电梯厢门在配送机器人所在楼层打开；配送机器人进入电梯，电梯到达配送机器人要前往的楼层后，电梯厢门打开，配送机器人驶出电梯。

具体地，步骤S5中，所述三级定位程序包括：

一级定位流程：图书配送机器人按照预定路径行驶至待抓取图书对应的书架前定位点处，通过设置在图书配送机器人底部的摄像头扫描设置在书架前方地面的书架定位标识条，若摄像头当前视野内未扫描到书架定位标识条，配送机器人按照“回”字形外扩路径运动，直到扫描到书架定位标识条；

二级定位流程：图书配送机器人的机械臂转至预设朝向，通过机械臂末端的摄像头扫描正前方位于书架上的朝向标识条，如果视野内未扫描到朝向标识条，机械臂逐步逆时针转动，直到扫描到朝向标识条；机械臂再根据图书所在书架层数抬升至预设层数高度，再通过机械臂末端的摄像头扫描书架上的高度定位标识条，如果视野内未扫描到高度定位标识条，机械臂以现高度为原点上下移动，并逐步扩大移动范围，直到扫描到高度定位标识条；

三级定位流程：通过机械臂末端的摄像头扫描书架上的条形码，获取条形码内存储的图书标识码，对比获取的图书标识码与待抓取图书标识码是否一致，若不一致，图书配送机器人横向移动5cm后再重新扫描并对比，直到扫描获取的图书标识码与待抓取图书的标识码一致；图书配送机器人发送第六反馈信号给待抓取图书所在书架，书架收到信息后，启动书架上待抓取图书对应的图书定位模块上的3个激光发射器(3个激光发射器的布置呈倒三角形)，检测机械臂末端的三个信号接收器是否接收到任一对应的激光信号，若没有接收到任一对应的激光信号，则机械臂按照“回”字形外扩路径运动，直到接收到任一对应的激光信号；再检测机械臂末端的三个信号接收器是否均接收到对应的激光信号，若没有，则机械臂末端顺时针/逆时针旋转0.2°，并逐步扩大旋转角度，直到机械臂末端的三个信号接收器均接收到对应的激光信号。

具体地，步骤S6中，图书配送机器人执行机械手抓取图书的流程为：根据订单信息内图书的厚度信息控制机械手张开的距离，然后控制机械手沿书架纵向伸入至预设深度，再通过机械手内侧的压力传感器检测当前压力是否达到预设压力，若否，则机械手逐步夹紧，直到压力传感器检测到的当前压力达到预设压力；最后机械手夹取图书沿书架纵向抽出。

与上述抓取方法想对应的，本发明还提供了一种基于图书馆动态空间基础的图书高精度抓取***，包括图书配送机器人、图书馆硬件设施、智能书架；

所述图书配送机器人包括配送小车和机械臂；

所述配送小车包括车体、车轮和暂存书架，所述暂存书架环绕布置在车体四周；

所述车轮上配置有角位移传感器，用以检测校准小车的运动参数，同时为小车定位提供辅助参数；

所述车体上设有信号接发器、激光雷达、报警器和摄像头(安装在车底)；

所述激光雷达布置在车体正前方；

所述机械臂包括信息处理模块、机械手和信号接发器；

所述机械手上设有摄像头、激光接收器、角位移传感器、线位移传感器；

所述激光接收器包括第一激光接收器、第二激光接收器和第三激光接收器，其接收频率固定且互不相同，均布置在机械手下端；

所述角位移传感器布置在机械臂转轴处，用以检测机械臂转动，从而校准机械臂运动参数以及为机械臂定位提供辅助参数；

所述线位移传感器布置在机械臂连杆处，用以检测机械臂运动，从而校准机械臂运动参数以及为机械臂定位提供辅助参数；

所述图书馆硬件包括布置在小车初始位置的标记点、智能电梯、存取书柜和图书管理后台；

所述小车初始位置布置在图书馆固定地面位置处，作为图书配送机器人运动初始点，上面贴有定位标识条，通过小车底部摄像头扫描检测；

所述智能电梯包括信号接发器和电梯控制模块；

所述信号接发器用以与小车进行交互，布置在每层的电梯控制面板上；

所述图书管理后台包括信息处理模块和信号接发器；

所述智能书架包括书架初始位置的定位标识条、图书信息模块和信号接发器；

所述书架初始位置的定位标识条贴在书架前地面的固定位置，通过车底摄像头扫描识别；

所述图书信息模块包括条形码和激光发射器，布置在书架的搁板处，与图书一一对应；

所述条形码粘贴在图书信息模块中间，通过机械手摄像头扫描后可以读取出图书标识码；

所述激光发射器包括第一激光发射器、第二激光发射器和第三激光发射器，其发射出的激光频率固定且互不相同，与上述激光接收器一一对应；第一激光发射器对应第一激光接收器；第二激光发射器对应第二激光接收器；第三激光发射器对应第三激光接收器；

所述智能书架上还贴有高度标识条和朝向标识条；

所述朝向标识条布置在书架初始位置处，纵向排布在书架上，用以通过机械臂末端的摄像头扫描朝向标识条确定机械臂朝向；

所述高度标识条布置在书架初始位置处，每层搁板上都有布置，用以通过机械臂末端的摄像头扫描高度标识条以确定机械臂高度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明通过图书管理后台每天检查图书配送机器人，保证配送机器人工作的可靠性，降低配送机器人的故障率，提升服务质量；(2)本发明通过构建图书馆的静态地图，根据订单信息获取图书的位置信息和图书信息，利用狄克斯特拉算法为图书配送机器人规划最优路径，提高了配送效率；(3)本发明的图书配送机器人具有自动避障功能，可以有效避免小车与图书馆内行人之前的影响，提高配送效率，优化了配送机器人的自动化程度；(4)本发明通过设定三级定位程序，首先定位配送机器人与目标书架的相对位置，再定位机械臂的朝向、高度，最后定位机械手与目标图书的相对位置，从而大大提高了机械手夹取目标图书的定位精度。

附图说明

图1为本发明实施例中基于图书馆动态空间基础的图书高精度抓取方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中配送机器人基本功能检测流程示意图；

图3为本发明实施例中配送机器人运动参数校准流程示意图；

图4为本发明实施例中机械臂运动参数校准流程示意图；

图5为本发明实施例中图书管理后台收集订单信息流程示意图；

图6为本发明实施例中楼层顺序确定流程示意图；

图7为本发明实施例中路径规划流程示意图；

图8为本发明实施例中配送小车自动避障流程示意图；

图9为本发明实施例中图书配送机器人自动乘坐电梯流程示意图；

图10为本发明实施例中图书配送机器人一级定位流程示意图；

图11为本发明实施例中图书配送机器人二级定位流程示意图；

图12为本发明实施例中图书配送机器人三级定位流程示意图；

图13为本发明实施例中图书配送机器人机械手精准抓取图书流程示意图；

图14为本发明实施例中图书高精度抓取***的硬件组成示意框图；

图15为本发明实施例中图书配送机器人的硬件组成示意框图；

图16为本发明实施例中图书馆的硬件组成示意框图；

图17为本发明实施例中智能书架的硬件组成示意框图；

图18为本发明实施例中“回”字形外扩路径的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明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条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例提供了一种基于图书馆动态空间基础的图书高精度抓取方法，包括以下步骤：

S1，图书管理后台检查图书配送机器人(一天一检)；

S2，图书配送机器人移动至初始位置待机；

S3，图书管理后台收集订单信息，并将订单信息发送给图书配送机器人；

S4，图书配送机器人根据订单信息进行路径规划；

S5，图书配送机器人根据规划的路径移动至指定书架，执行三级定位程序；

S6，图书配送机器人执行机械手抓取图书程序，并将抓取的图书存放至图书配送机器人自带的暂存书架上；

S7，判断是否完成所有订单，若未完成所有订单，则返回步骤S5，执行下一图书的抓取任务；若已完成所有订单，则返回步骤S2，等待接收新的订单信息。

具体地，步骤S1具体包括：

S11，如图2所示，图书配送机器人基本功能检测：图书管理后台给图书配送机器人发送启动信号，图书配送机器人收到启动信号后向图书管理后台发送第一反馈信号；若5秒内图书管理后台未收到第一反馈信号，则判定为图书配送机器人信号或通电故障，并通知图书管理员检查图书配送机器人故障；若5秒内图书管理后台接收到第一反馈信号，则进行剩余电量检查，若剩余电量小于12Ah，则通知图书管理员电量过低，需要对图书配送机器人进行充电；若剩余电量大于12Ah，图书配送机器人向图书管理后台发送第二反馈信号；

S12，如图3所示，图书配送机器人运动参数校准：配送机器人向前/向后移动3秒，通过车轮处角位移传感器记录配送机器人直线前进/后退运动的角位移；将记录的角位移与预设的配送机器人直线运动3秒的角位移进行对比，如果差值大于0.1％，则通知图书管理员配送机器人故障；如果差值小于0.1％，配送机器人向图书管理后台发送第三反馈信号；

S13，如图4所示，图书配送机器人的机械臂运动参数校准：机械臂直线运动2秒，通过在机械臂直线电机处布置的线位移传感器记录机械臂直线运动的线位移；将记录的线位移与预设的机械臂直线运动2秒的线位移进行对比，如果差值大于0.1％，则通知图书管理员机械臂故障；如果差值小于0.1％，则执行机械臂旋转运动1秒，通过在机械臂旋转电机处布置的角位移传感器记录机械臂旋转运动的角位移；将记录的角位移与预设的机械臂旋转运动1秒的角位移进行对比，如果差值大于0.1％，则通知图书管理员机械臂故障；如果差值小于0.1％，配送机器人向图书管理后台发送第四反馈信号。

具体地，步骤S2中，配送机器人移动至初始位置待机的方法为：通过设置在配送机器人底部的摄像头扫描设置在图书馆地面初始位置的标记点，若摄像头未扫描到标记点，则配送机器人按照“回”字形外扩路径运动(如图18所示)，每次向外扩展5cm的搜索距离，直到扫描到标记点；若摄像头扫描到标记点，配送机器人向图书管理后台发送第五反馈信号。在完成每天一次的图书管理后台检查图书配送机器人流程后，机器人在初始点待机等待订单信息传入；以及在完成一次订单后，机器人回到初始点待机等待下一订单信息传入。

具体地，如图5所示，步骤S3中，图书管理后台收集用户订单信息，每隔一分钟检查一次订单数量是否大于20或者订单内的图书总数量是否大于40；若订单数量大于20或者订单内的总数量大于40，图书管理后台将订单信息和对应的图书信息打包，并将打包信息发送给图书配送机器人。

所述订单信息包括：用户账号、图书编号、图书标识码、存取书架位置编号；所述图书信息包括：图书编号、图书厚度、图书对应的书架编号及其位置、图书在书架上对应的定位模块编号。

具体地，步骤S4中，如图7所示，图书配送机器人进行路径规划的方法为：首先构建整个图书馆内部的静态地图，再将订单中待抓取图书对应的书架位置信息投影至所述静态地图上，通过狄克斯特拉算法得到当前楼层最短路径，判断当层楼层是否为最后一层楼层。如果不是，则分析下一楼层，得出下一楼层最短路径，直到得出所有需要遍历的楼层的最短路径。结合楼层遍历顺序，将各个楼层最短路径拼接，最终得到全局的最短路径。

所述静态地图包括：每个楼层过道位置信息及其宽度、电梯位置、杂物摆放区位置及大小信息、各个书架位置及大小信息、各个书架对应的定位点信息；

所述位置信息包括图书所在楼层、图书所在书架、图书所在书架上的坐标(第几行、第几列)；

如图6所示，所述楼层遍历顺序确定的方法为：通过获取订单信息数据包内的位置信息，生成订单内图书的空间位置数据，将图书按照楼层进行分类，判断需要前往的楼层(总共需要前往哪些楼层)，结合配送机器人此时所在的楼层，通过电梯调度算法得出最佳的楼层遍历顺序；

具体地，步骤S5中，图书配送机器人根据规划的路径移动至指定书架的流程包括：

精准定位流程：首先抽象出图书配送机器人模型和行驶道路模型，然后将模型投影到静态地图中，得到图书配送机器人在图书馆内的绝对位置和相对位置关系；根据静态地图中的坐标数据和得到的位置信息计算图书配送机器人的行驶状态参数；同时通过图书配送机器人轮子上的角位移传感器实时检测配送机器人的位移数据，用于对图书配送机器人的位置信息进行修正；

动态地图构建流程：在配送机器人移动过程中，通过设置在配送机器人前方的双目视觉摄像***实时获取视野内的物体信息，并将获取到的物体信息投影到静态地图上，即构建动态地图；通过双目视觉提取标签空间特征并进行分类、标记、编码及建立模型，然后建立标签图像进行空间检索及定位，提取特征、计算相似度并进行坐标聚类，最后分类。最终可以通过摄像头得到视野内物体信息。

如图8所示，自动避障流程：配送机器人按照预定路径移动过程中，设置在配送机器人周围的激光雷达周期性(每隔2s)的检测周围20cm范围内障碍物信息，如果检测到有障碍物，配送机器人立即停止运动，同时启动配送机器人上的报警器，发出蜂鸣，提醒行人避让；如果20秒内，行人避让后，激光雷达检测到周围无障碍物，则配送机器人继续按照预定路径移动；如果20秒后，激光雷达检测到周围仍存在障碍物，则配送机器人向左/向右绕行后再回归预定路径继续移动(具体为先向右移动20cm，再原定方向移动50cm，再向左移动20cm绕回到预定路线)；

如图9所示，自动乘坐电梯流程：当配送机器人根据预定路径移动至当前楼层的电梯前方时，配送机器人向电梯控制模块发送确认信号以及下一步所去楼层信息，电梯控制模块收到信号后检查现行方向，若电梯现行方向与配送机器人要前往的楼层方向不一致，则等待1分钟后再检查；若一致，则电梯控制模块检查电梯内部剩余空间是否满足配送机器人进入，若不满足，则等待1分钟后再检查；若满足，则电梯控制模块控制电梯厢门在配送机器人所在楼层打开；配送机器人进入电梯，电梯到达配送机器人要前往的楼层后，电梯厢门打开，配送机器人驶出电梯。

上述四种流程并不需要依次完整进行，而是根据图书配送机器人前往指定智能书架过程中，视情况进行的。

具体地，步骤S5中，所述三级定位程序包括：

如图10所示，一级定位流程：图书配送机器人按照预定路径行驶至待抓取图书对应的书架前定位点处，通过设置在图书配送机器人底部的摄像头扫描设置在书架前方地面的书架定位标识条，若摄像头当前视野内未扫描到书架定位标识条，配送机器人按照“回”字形外扩路径运动(如图18所示)，每次向外扩展2cm的搜索距离，直到扫描到书架定位标识条；

如图11所示，二级定位流程：图书配送机器人的机械臂转至预设朝向，通过机械臂末端的摄像头扫描正前方5°视野内位于书架上的朝向标识条，如果视野内未扫描到朝向标识条，机械臂逐步逆时针转动3°并重新扫描，直到扫描到朝向标识条；机械臂再根据图书所在书架层数抬升至预设层数高度，再通过机械臂末端的摄像头扫描10cm视野中书架上的高度定位标识条，如果视野内未扫描到高度定位标识条，机械臂以现高度为原点上下移动，并逐步扩大移动范围，每次扩大2cm，直到扫描到高度定位标识条；

如图12所示，三级定位流程：通过机械臂末端的摄像头扫描5cm视野内书架上的条形码，获取条形码内存储的图书标识码，对比获取的图书标识码与待抓取图书标识码是否一致，若不一致，图书配送机器人横向移动5cm后再重新扫描并对比，直到扫描获取的图书标识码与待抓取图书的标识码一致；图书配送机器人发送第六反馈信号给待抓取图书所在书架，书架收到信息后，启动书架上待抓取图书对应的图书定位模块上的3个激光发射器(3个激光发射器的布置呈倒三角形)，检测机械臂末端的三个信号接收器是否接收到任一对应的激光信号，若没有接收到任一对应的激光信号，则机械臂按照“回”字形外扩路径运动(如图18所示)，每次向外扩展1cm的搜索距离，直到接收到任一对应的激光信号；再检测机械臂末端的三个信号接收器是否均接收到对应的激光信号，若没有，则机械臂末端顺时针/逆时针旋转0.2°，并逐步扩大旋转角度，直到机械臂末端的三个信号接收器均接收到对应的激光信号。

具体地，步骤S6中，如图13所示，图书配送机器人执行机械手抓取图书的流程为：根据订单信息内图书的厚度信息控制机械手张开的距离，然后控制机械手沿书架纵向伸入至预设深度，再通过机械手内侧的压力传感器检测当前压力是否达到预设压力，若否，则机械手逐步夹紧，每次夹紧0.1cm，直到压力传感器检测到的当前压力达到预设压力；最后机械手夹取图书沿书架纵向抽出。

与上述抓取方法想对应的，如图14所示，本实施例还提供了一种基于图书馆动态空间基础的图书高精度抓取***，包括图书配送机器人、图书馆硬件设施、智能书架；

如图15所示，所述图书配送机器人包括配送小车和机械臂；

所述配送小车包括车体、车轮和暂存书架，所述暂存书架环绕布置在车体四周；

所述车轮上配置有角位移传感器，用以检测校准小车的运动参数，同时为小车定位提供辅助参数；

所述车体上设有信号接发器、激光雷达、报警器和摄像头(安装在车底)；

所述激光雷达布置在车体正前方；

所述机械臂包括信息处理模块、机械手和信号接发器；

所述机械手上设有摄像头、激光接收器、角位移传感器、线位移传感器；

所述激光接收器包括第一激光接收器、第二激光接收器和第三激光接收器，其接收频率固定且互不相同，均布置在机械手下端；

所述角位移传感器布置在机械臂转轴处，用以检测机械臂转动，从而校准机械臂运动参数以及为机械臂定位提供辅助参数；

所述线位移传感器布置在机械臂连杆处，用以检测机械臂运动，从而校准机械臂运动参数以及为机械臂定位提供辅助参数；

如图16所示，所述图书馆硬件包括布置在小车初始位置的标记点、智能电梯、存取书柜和图书管理后台；

所述小车初始位置布置在图书馆固定地面位置处，作为图书配送机器人运动初始点，上面贴有定位标识条，通过小车底部摄像头扫描检测；

所述智能电梯包括信号接发器和电梯控制模块；

所述信号接发器用以与小车进行交互，布置在每层的电梯控制面板上；

所述图书管理后台包括信息处理模块和信号接发器；

如图17所示，所述智能书架包括书架初始位置的定位标识条、图书信息模块和信号接发器；

所述书架初始位置的定位标识条贴在书架前地面的固定位置，通过车底摄像头扫描识别；

所述图书信息模块包括条形码和激光发射器，布置在书架的搁板处，与图书一一对应；

所述条形码粘贴在图书信息模块中间，通过机械手摄像头扫描后可以读取出图书标识码；

所述激光发射器包括第一激光发射器、第二激光发射器和第三激光发射器，其发射出的激光频率固定且互不相同，与上述激光接收器一一对应；第一激光发射器对应第一激光接收器；第二激光发射器对应第二激光接收器；第三激光发射器对应第三激光接收器；

所述智能书架上还贴有高度标识条和朝向标识条；

所述朝向标识条布置在书架初始位置处，纵向排布在书架上，用以通过机械臂末端的摄像头扫描朝向标识条确定机械臂朝向；

所述高度标识条布置在书架初始位置处，每层搁板上都有布置，用以通过机械臂末端的摄像头扫描高度标识条以确定机械臂高度。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于图书馆动态空间基础的图书高精度抓取方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，图书管理后台检查图书配送机器人；

S2，图书配送机器人移动至初始位置待机；

S3，图书管理后台收集订单信息，并将订单信息发送给图书配送机器人；

S4，图书配送机器人根据订单信息进行路径规划；

S5，图书配送机器人根据规划的路径移动至指定书架，执行三级定位程序；

S6，图书配送机器人执行机械手抓取图书程序，并将抓取的图书存放至图书配送机器人自带的暂存书架上；

S7，判断是否完成所有订单，若未完成所有订单，则返回步骤S5，执行下一图书的抓取任务；若已完成所有订单，则返回步骤S2，等待接收新的订单信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于图书馆动态空间基础的图书高精度抓取方法，其特征在于，步骤S1具体包括：

S11，图书配送机器人基本功能检测：图书管理后台给图书配送机器人发送启动信号，图书配送机器人收到启动信号后向图书管理后台发送第一反馈信号；若5秒内图书管理后台未收到第一反馈信号，则判定为图书配送机器人信号或通电故障，并通知图书管理员检查图书配送机器人故障；若5秒内图书管理后台接收到第一反馈信号，则进行剩余电量检查，若剩余电量小于12Ah，则通知图书管理员电量过低，需要对图书配送机器人进行充电；若剩余电量大于12Ah，图书配送机器人向图书管理后台发送第二反馈信号；

S12，图书配送机器人运动参数校准：配送机器人向前/向后移动3秒，通过车轮处角位移传感器记录配送机器人直线前进/后退运动的角位移；将记录的角位移与预设的配送机器人直线运动3秒的角位移进行对比，如果差值大于0.1％，则通知图书管理员配送机器人故障；如果差值小于0.1％，配送机器人向图书管理后台发送第三反馈信号；

S13，图书配送机器人的机械臂运动参数校准：机械臂直线运动2秒，通过在机械臂直线电机处布置的线位移传感器记录机械臂直线运动的线位移；将记录的线位移与预设的机械臂直线运动2秒的线位移进行对比，如果差值大于0.1％，则通知图书管理员机械臂故障；如果差值小于0.1％，则执行机械臂旋转运动1秒，通过在机械臂旋转电机处布置的角位移传感器记录机械臂旋转运动的角位移；将记录的角位移与预设的机械臂旋转运动1秒的角位移进行对比，如果差值大于0.1％，则通知图书管理员机械臂故障；如果差值小于0.1％，配送机器人向图书管理后台发送第四反馈信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于图书馆动态空间基础的图书高精度抓取方法，其特征在于，步骤S2中，配送机器人移动至初始位置待机的方法为：通过设置在配送机器人底部的摄像头扫描设置在图书馆地面初始位置的标记点，若摄像头未扫描到标记点，则配送机器人按照“回”字形外扩路径运动，直到扫描到标记点；若摄像头扫描到标记点，配送机器人向图书管理后台发送第五反馈信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于图书馆动态空间基础的图书高精度抓取方法，其特征在于，步骤S3中，图书管理后台收集用户订单信息，每隔一分钟检查一次订单数量是否大于20或者订单内的图书总数量是否大于40；若订单数量大于20或者订单内的总数量大于40，图书管理后台将订单信息和对应的图书信息打包，并将打包信息发送给图书配送机器人。

5.根据权利要求1所述的一种基于图书馆动态空间基础的图书高精度抓取方法，其特征在于，步骤S4中，图书配送机器人进行路径规划的方法为：首先构建整个图书馆内部的静态地图，再将订单中待抓取图书对应的书架位置信息投影至所述静态地图上，最后通过狄克斯特拉算法计算图书配送机器人到达每个待抓取图书对应书架位置的全局最短路径。

6.根据权利要求1所述的一种基于图书馆动态空间基础的图书高精度抓取方法，其特征在于，步骤S5中，图书配送机器人根据规划的路径移动至指定书架的流程包括：

精准定位流程：首先抽象出图书配送机器人模型和行驶道路模型，然后将模型投影到静态地图中，得到图书配送机器人在图书馆内的绝对位置和相对位置关系；根据静态地图中的坐标数据和得到的位置信息计算图书配送机器人的行驶状态参数；同时通过图书配送机器人轮子上的角位移传感器实时检测配送机器人的位移数据，用于对图书配送机器人的位置信息进行修正；

动态地图构建流程：在配送机器人移动过程中，通过设置在配送机器人前方的双目视觉摄像***实时获取视野内的物体信息，并将获取到的物体信息投影到静态地图上，即构建动态地图；

自动避障流程：配送机器人按照预定路径移动过程中，设置在配送机器人周围的激光雷达周期性的检测周围障碍物信息，如果检测到有障碍物，配送机器人立即停止运动，同时启动配送机器人上的报警器；如果20秒内，激光雷达检测到周围无障碍物，则配送机器人继续按照预定路径移动；如果20秒后，激光雷达检测到周围有障碍物，则配送机器人向左/向右绕行后再回归预定路径继续移动；

自动乘坐电梯流程：当配送机器人根据预定路径移动至当前楼层的电梯前方时，配送机器人向电梯控制模块发送确认信号以及下一步所去楼层信息，电梯控制模块收到信号后检查现行方向，若电梯现行方向与配送机器人要前往的楼层方向不一致，则等待1分钟后再检查；若一致，则电梯控制模块检查电梯内部剩余空间是否满足配送机器人进入，若不满足，则等待1分钟后再检查；若满足，则电梯控制模块控制电梯厢门在配送机器人所在楼层打开；配送机器人进入电梯，电梯到达配送机器人要前往的楼层后，电梯厢门打开，配送机器人驶出电梯。

7.根据权利要求1所述的一种基于图书馆动态空间基础的图书高精度抓取方法，其特征在于，步骤S5中，所述三级定位程序包括：

一级定位流程：图书配送机器人按照预定路径行驶至待抓取图书对应的书架前，通过设置在图书配送机器人底部的摄像头扫描设置在书架前方地面的书架定位标识条，若摄像头当前视野内未扫描到书架定位标识条，配送机器人按照“回”字形外扩路径运动，直到扫描到书架定位标识条；

二级定位流程：图书配送机器人的机械臂转至预设朝向，通过机械臂末端的摄像头扫描正前方位于书架上的朝向标识条，如果视野内未扫描到朝向标识条，机械臂逐步逆时针转动，直到扫描到朝向标识条；机械臂再根据图书所在书架层数抬升至预设层数高度，再通过机械臂末端的摄像头扫描书架上的高度定位标识条，如果视野内未扫描到高度定位标识条，机械臂以现高度为原点上下移动，并逐步扩大移动范围，直到扫描到高度定位标识条；

三级定位流程：通过机械臂末端的摄像头扫描书架上的条形码，获取条形码内存储的图书标识码，对比获取的图书标识码与待抓取图书标识码是否一致，若不一致，图书配送机器人横向移动5cm后再重新扫描并对比，直到扫描获取的图书标识码与待抓取图书的标识码一致；图书配送机器人发送第六反馈信号给待抓取图书所在书架，书架收到信息后，启动书架上待抓取图书对应的图书定位模块上的3个激光发射器，检测机械臂末端的三个信号接收器是否接收到任一对应的激光信号，若没有接收到任一对应的激光信号，则机械臂按照“回”字形外扩路径运动，直到接收到任一对应的激光信号；再检测机械臂末端的三个信号接收器是否均接收到对应的激光信号，若没有，则机械臂末端顺时针/逆时针旋转，直到机械臂末端的三个信号接收器均接收到对应的激光信号。

8.根据权利要求1所述的一种基于图书馆动态空间基础的图书高精度抓取方法，其特征在于，步骤S6中，图书配送机器人执行机械手抓取图书的流程为：根据订单信息内图书的厚度信息控制机械手张开的距离，然后控制机械手沿书架纵向伸入至预设深度，再通过机械手内侧的压力传感器检测当前压力是否达到预设压力，若否，则机械手逐步夹紧，直到压力传感器检测到的当前压力达到预设压力；最后机械手夹取图书沿书架纵向抽出。

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