基于图书自动上架与盘点机械手的24小时图书驿站全自动方案设计
宋虎 王威 李书恒 钱坤 周瑜
摘 要：介绍了基于可编程控制器PLC的三轴机械手，利用三轴机械手与RFID技术对张家港市图书驿站的图书上架与图书盘点方式进行改进，建立了基于图书自动上架与盘点机械手的24小时图书驿站全自动方案。
关键词：PLC;三轴机械手;RFID;图书驿站;图书自动上架
1 绪论
为贴近居民生活，促进全民读书学习，作为全国首批先进文明县的张家港，在全国首创“图书馆驿站”（以下简称为图书驿站）。图书驿站自2013年成立至今，已具规模，读者人数多、图书流动率高，受到张家港市民的热烈喜爱[2]。图书驿站全天候开放，读者可以在任何时间进入驿站内阅读。但通过调研分析，张家港市图书驿站在图书自动上架、图书盘点等方面尚有改进空间。为了使图书驿站免除传统人工管理模式，同时解决图书上架繁琐、盘点易出错等问题，使其更加人性化，自动化，笔者将自动化技术引入到图书驿站中，利用PLC、三轴机械手、无线射频技术（RFID）对驿站进行改进，旨在降低成本、提高图书服务质量并且提高管理效率，实现图书驿站的全自动化、无人化，构建“全自动化图书馆驿站”，使市民即使在喧闹的都市中也能享受“无人的静谧”。
2 图书自动上架系统
2.1 三轴机械手
三轴机械手硬件部分主要由四台步进电机、滚珠丝杆、直线导轨等元器件组成，通过PLC控制四台步进电机带动丝杆平台运动。滚珠丝杆是将旋转运动转化为直线运动的器件，可以将步进电机的扭矩转换成轴向反复作用力，采用滚珠丝杆能够实现精确快速的定位功能，从而使三轴机械手精准夹取图书实现图书自动上架。三轴机械手硬件框图如图1所示。
2.2 图书自动上架系统结构
图书自动上架系统由三轴机械手、PLC、电气控制柜、接近开关、电磁式接触传感器组成。四台步进电机与丝杆组成三轴机械手，机械手的主电机X1的丝杆导轨铺设在书架正面的地面上，丝杆导轨嵌入地面。电机X1实现X轴方向的移动，电机Y1实现Y轴方向的移动，电机X1与Y1实现三轴机械手在书架的各层移动。电机Z1实现Z轴方向的移动，电机A1通过控制两块夹板实现夹书动作，电机A1前端的两块夹板高度为13cm，厚度为2mm，由精钢制成，硬度高且不易损坏。两块夹板下方設有一个长度为38cm，宽度为8cm的托板，防止电机A1在夹取图书的过程中图书掉落。4台步进电机相互配合，从而实现夹取图书功能。系统结构模型见图2。
2.3 硬件选型
因为PLC是图书自动上架系统的控制中心，步进电机是三轴机械手的核心器件，因此本文的硬件选型，仅针对步进电机与PLC。
2.3.1 步进电机
步进电机是一种利用电脉冲信号来进行控制，能够将电脉冲信号转化为相应的角位移或直线位移的执行体系。步进电机由于受到电脉冲的控制，其转子的角位移量和速度会严格地与输入脉冲的数量以及频率成正比，从而可以通过控制脉冲数量来控制角位移的数量，进一步达到精确定位的效果，考虑到图书上架过程精确度较高，因此选用步进电机是最好的选择。步进电机的种类十分丰富，根据其结构可分为：反应式步进电机、永磁式步进电机以及混合式步进电机这三种。三种类型步进电机的优缺点，如下表所示。
综合以上情况，最终选择采用欧力传动的57步进电机加上DM542步进电机驱动器。DM542属于中低压步进电机驱动器。采用最新的32位DSP技术，具有非常优秀的性能，能够满足本系统的性能需求。
2.3.2 可编程控制器（PLC）
可编程控制器（PLC）是一种数字运算操作的电子系统，由于PLC具有功能强大、可靠性高、体积小巧、可扩展各种智能模块等特点，使其在自动化领域中的应用十分普及。
图书自动上架系统使用的PLC要结构紧凑、扩展性好、指令功能强大、价格低廉、且体积小，需要具有断电保持功能、以太网通讯、同时输出3路PWM脉冲输出等功能，通过比较各类品牌的PLC，最终选定西门子S7-200smart系列PLC作为图书自动上架系统的控制器，驱动三轴机械手运作。
2.4 系统原理
2.4.1 书架设置
张家港市图书驿站按照图书的种类，每个书架放置同种图书，每个书架的图书分布没有特定规则，读者按照个人兴趣到对应书架选取图书进行阅读。在三轴机械手夹取图书的过程中，电机Z1前端的夹板难免会损坏图书，为了保护图书在上架过程中不被损坏，将张家港图书驿站的书架特殊处理。书架模型图见图3。书架每层设置间隔挡板，间隔挡板将书架隔离成一个一个书洞，书洞的长度为40cm，略大于三轴机械手前端托板的长度。间隔板的厚度为1cm，材质为合金。间隔板两侧切割出一个厚度为3mm，高度为15cm的槽口。图书摆放在书架时，不会占用槽口的空间。三轴机械手夹取图书时，前端两块夹板从槽口进入，然后夹取图书，此方法可有效保护图书不被损坏。槽口模型图见图3。
2.4.2 图书自动上架过程
首先，三轴机械手的初始化位置在书架左下侧，位置见图3。三轴机械手始终处于待运行状态。在书架的右下角通过设置间隔挡板，建立长度为40cm的还书处。在还书处的右侧内嵌电磁式接触传感器触头，读者将借阅后的图书放在还书处，图书驿站新增的图书也放至书架的还书处。当还书处的图书达到一定数量时，接触传感器感应并动作，并将动作信号送至PLC。此时PLC开始运作，驱动三轴机械手的主电机X1动作，主电机X1到达还书处，电机Z1与电机A1动作夹取图书，夹取书完毕后，Y1电机与X1电机配合，将图书送至闲置书洞，从而实现图书自动上架。
3 图书盘点系统
3.1 射频识别技术（RFID）
射频识别技术（RFID）主要由4个部分构成，分别是阅读器、应答器、应用系统和天线。射频识别技术（RFID）采用全新的无线信号监控技术对目标标签进行扫描，根据扫描结果获得标签目标的具体信息，是常见的物联网技术应用之一[3]。如今，射频识别技术（RFID）在图书馆中的应用十分广泛，图书馆中90%以上的文献借还服务利用了RFID技术。本文基于RFID的图书盘点系统利用RFID技术实现图书自动盘点功能，能够为读者带来便利，同时节省图书驿站工作人员的工作量。
3.2 系统结构
图书盘点系统由射频识别技术（RFID）与三轴机械手构成。图书盘点系统依托图书自动上架系统，射频识别技术（RFID）的阅读器安置在三轴机械手前端夹板的中间，三轴机械手在书架各个位置移动，RFID阅读器即实现了对书架各层图书的扫描盘点。图书盘点系统与图书自动上架系统关系紧密但又相互独立。关系紧密体现在：RFID阅读器对书架图书盘点是借助了三轴机械手的移动，才得以实现。相互独立体现在：RFID阅读器通过耦合线圈发射出特定频率的无线电波，实现与应答器之间的数据信息交换，从而将图书信息送入数据库存储。此过程与图书自动上架系统并无联系。
3.3 系统原理
对图书驿站的图书进行盘点，主要分为4個步骤：（1）粘贴RFID标签;（2）注册RFID标签并与图书条码关联;（3）阅读器扫描;（4）数据库更新。在图书驿站建成时，图书数量较多，此时，将所有图书按照种类放到对应的书架上，PLC驱动三轴机械手的X1、Y1电机运作，按照从上到下，从左到右的顺序扫描书架各层图书，三轴机械手前端的RFID阅读器对图书标签进行扫描阅读并将图书信息存入数据库。这种方式，精确度高、耗时少，大大提高了图书盘点的效率。此时的数据库包含了图书驿站所有图书的信息。
在图书驿站的日常运行中，数据库图书信息的更新有以下两种方式：（1）图书驿站增加新书;（2）读者借还书。在图书驿站建成后，不定期增加的新书数量较少，因此，采用同一种方法对图书驿站增加的新书与读者归还的书进行盘点。方法如下：图书驿站增加的新书也放至书架的还书处，等到还书处的数量到达一定数量并触发接触传感器时，三轴机械手将图书上架，在主电机X1运行到还书处时，机械手前端的RFID阅读器开始运作，对还书处的图书进行扫描盘点并将图书信息传输到数据库。
3.4 遗失盘点
对于RFID技术下的图书盘点系统，过一段时间就需要进行全面盘点，清除一些遗失数目及其标签，以保证RFID的标签能够正常的运行。考虑到张家港市图书驿站24小时营业、图书流动频繁等特点，设定图书驿站的闭馆时间为每周一8：00—12：00，在这个时间段内，利用三轴机械手对图书驿站内所有图书进行扫描盘点，让数据库自动地为图书馆全面盘点一次，找出遗失、错误的图书或RFID标签。
4 结语
张家港市图书馆驿站的工作人员是来自张家港市的志愿者，且多为中年女性，频繁的图书上架对于部分中年女性而言不是十分轻松。基于图书自动上架与盘点机械手的24小时全自动方案将使图书驿站提供全自动化服务，改进后的图书馆驿站以全自动的方式节省图书借还时间，减少工作人员的劳动，使市民阅读方式更为便捷。
参考文献：
[1]陈世海，缪建新.图书馆驿站：百姓身边“永不打烊”的图书馆——张家港市村（社区）图书室提档升级的实践与探索[J].国家图书馆学刊，2015（05）.
[2]段宇锋，王亚宁，王灿昊.“永不打烊”的图书馆——张家港24小时“图书馆驿站”[J].图书馆杂志，2018（09）.
[3]邵纬.公共图书馆RFID图书定位技术研究[J].图书馆学刊，2017（01）.
[4]王晶，黄斌，陈俊华.基于PLC的图书馆作业型机器人工作系统[J].机床与液压，2005（10）.
作者简介：宋虎（1998—），男，江苏徐州人，大学本科在读，研究方向：电气工程及其自动化;王威（1998—），男，江苏盐城人，大学本科在读，研究方向：电气工程及其自动化;李书恒（1998—），男，江苏徐州人，大学本科在读，研究方向：电气工程及其自动化;钱坤（1999—），男，江苏宿迁人，大学本科在读，研究方向：电气工程及其自动化;周瑜（1984—），女，江苏张家港人，博士在读，实验师，主要从事工业自动控制教学与研究。
