智能图书分类机器人模型研究与设计
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关键词：伺服电动机；机械爪；智能识别；图书分类；驱动机构 中图分类号:TP 242.2 文献标志码:A
Research and Design of Intelligent Book Classification Robot Model CHEN Huangfei, LIU Ruihua, CHEN Caiyan
图4大机械臂驱动机构图
1. 4小机械臂驱动机构 小机械臂驱动机构如图5所示。旋转伺服电动
机初步选定直流伺服电动机。旋转伺服电动机的负 载为小机械臂伺服电动机、机械爪、图书的质量之 和「6）。总质量（40 kg,设底盘旋转涡轮摩擦因数为 0.3,移动速度为0. 3 m/s,则底盘旋转涡轮驱动力 为：
F1 =）g =0.3X40X10 = 120 （N） 底盘旋转涡轮最大驱动率为：
!1 = "ng =0.3X80X10 = 240 (N) 底盘旋转涡轮最大驱动率为：
P1=F1V = 240X0.3 = 72 (W) 假定机械系 统 的 传 动 效 率 为 0 8 !则 电 动 机 的
最大功率为：
《新技术新工艺》设计与计算
29
新技术新工艺2021年 第6期
+ max = +1/0. 8=90 (W)
5) 五轴通常是当产品抓取后可以使产品翻转的 动作，控制微调的上下翻转。
6) 六轴可以360°旋转，是末端法兰部分旋转功 能。
通过对智能机器人机械手六轴的设计，可自由 方便地利用编程实现机械手的灵活运动，运动角度 可达到任何一个角落，实现智能控制、精准分类的目 的。智能图书分类机器人模型整体结构如图1所 示I O
设计
作是使用伺服电动机配减速机传动的结果，每个轴 都代替一个方向的运动方式。
2) 二轴控制机器人主臂上下运动摆动、整个主 臂前后摆动的功能。
3) 三轴同样是控制机器人前后摆动功能，只是 比二轴的摆臂范围小。
4) 四轴是控制机器人上面的圆形管部分可自由 旋转的部位，活动范围相当于人的小臂，不过不是 360°旋转，跟人的小臂的范围相同。
图3底盘驱动机构图
1. 3大机械臂驱动机构 大机械臂驱动机构如图 4 所示 O 连杆伺服电动
机初步选定直流伺服 电动机 O 连杆伺服 电动机的负 载为大机械臂 、 小 机 械 臂 伺 服 电 动 机 、 机 械 爪 、 连 杆 机构和图书的质量之和。总质量(80 kg,设底盘旋 转涡轮摩擦因数为0.3,移动速度为0. 3 m/s,则底 盘旋转涡轮驱动力为：
(School of Mechanical and Electrical Engineering, Huali College , Guangdong University of Technology , Zengcheng 511325 , China) Abstract: The intelligent robot was widely used in daily life, and its technology has been becoming more and more ma-
额定功 率/W
100
额定转速/ r • min_i
额定转 矩/N i m
3000
0. 32
HSMS40-
E00330
100
3000
ຫໍສະໝຸດ Baidu
0. 32
HSMS40-
E00230
50
3000
0. 16
2控制系统设计
在控制系统中，合理选择开发平台不但能够提 高运算效率，还可以降低处理器的功耗。笔者选择 的是VS Code开发环境，并采用C+ +编程语言，C + +语言功能强大，也很适合用来控制机器的运转*
选用K210处理器的开发板套件，该处理器性能不 差，成本不高，功耗低，基本上是集大多数处理器优 点于一身，很适合人工智能的开发，内置独立的 CNN卷积神经网路运算单元，处理速度也比较快, 主频最高可以达到600 MHz,并且自带麦克风、扬 声器和摄像头「7）。 21 技术关键
图书智能分类机器人中，最重要的就是它的一 双“眼睛” 一一视觉识别系统，这是机器人识别待分 类书籍集中区的书籍的关键，通过识别系统识别到 的数据，传送到机器爪的控制系统和小车移动的控 制系统，以便能够准确地将书籍识别出来，将书籍分 到不同的书架上。如何提高视觉识别系统的准确率 是智能识别的关键，也是机器人完成图书分类的关 键。 2.2控制流程
图像识别的基本流程如图6所示。
图6图像识别的基本流程
1） 识别系统：首先让机器识别书籍或者书籍编 码，然后对图像进行数据分析，并且确定获取所需要 图像的数据的手段，通过图像预处理消除背景噪 声、光照、小车运动造成的书籍编码模糊等实际应用 影响，更好地提取有用的信息，最大限度地简化需要 的数据；在读取图像后则是对书籍编码的提取,根据 书籍上贴的编码进行提取®10）,增加识别的精度；最 后对书籍编码的信息进行处理和分析。该模型采用 扫描编码法，首先机械臂运动到书籍堆放处,对书籍 编码进行扫描，扫描的信息传送到系统处理器，就会 得到书籍的所有信息。识别中的函数为：
Keywords: servo motor mechanicalclaw inteligentrecognition bookclassification driving mechanism
图书馆的藏书众多,即使是小型图书馆也会有 上万种藏书,多则是百万种藏书，所以如何管理图书 是一个图书馆的首要问题’图书馆每天的人流量非 常多,无论是图书管理还是读者管理都具有非常大 的压力，管理好图书馆需要对图书进行分类保护 ,也 方便读者寻找书籍和文献’既然每天有很大的人流 量,必然会有很多图书会被弄混,为了让明天的读者 找到那些被弄混的书籍,图书管理员需要将它们进 行归位,这将是一个非常大的工作量,这时图书分类 机器人就有了存在的意义，它可以将那些被弄混的 书籍进行识别，然后准确定位并将书籍放置到指定 位置’为解决高校图书馆管理员过高的劳动强度和 效率低下的问题,将智能机器人应用到高校图书馆 的日常管理中已经成为当前图书馆研究的热门问 题(12)。本文作者设计了一种六自由度的图书分类 机器人,通过红外线扫描找到被弄混的书籍，然后放 置在指定的位置’
+1 - F1V =120X0. 3 = 36 （W） 假定机械系统的传动效率为0. 8,则电动机的 最大功率为：
+ max = +1/0. 8 = 45 （W）
综上可得各驱动机构的性能参数见表1'
内容
底盘驱动 机构
大机械臂 驱动机构 小机械臂 驱动机构
表1各驱动机构的性能参数
型号
HSMS40E00330
新技术新工艺2021年 第6期
智能图书分类机器人模型研究与设计％
陈黄飞，刘锐华，陈彩艳
(广东工业大学华立学院机电工程学院，广州增城511325)
摘要：智能机器人在日常生活中应用日益广泛，技术也日趋成熟。六轴结构的智能图书分类机器人 结构简单，经济实用。其硬件系统主要由红外线识别模块(识别障碍物移动车体)、六轴机械臂模块、图像 识别模块3部分组成；其控制系统采用主从式单片机的控制，由信息采集处理模块、机械臂控制模块和主 控模块组成。智能图书分类机器人能通过各个传动机构的运动实现末端执行器所要到达的位置 ，应用 SolidWorks软件进行建模，可以实现智能识别夹取、准确定位、放置等工作，该系统模型的实现可以大量 减少图书管理员的工作量。当今世界是信息化时代，图书整理的智能化必然会发展成为一大产业，并带动 其他产业的发展，因此该系统模型将具有广阔的发展空间。
F1=")* = 0.3 X 85 X 10 = 255 (N) 底盘旋转涡轮最大驱动率为：
=255X0.3 = 76.5 (W) 假定机械系统的传动效率为0. 8,则电动机的 最大功率为：
+max = +1/0. 8 = 95.7 (W)
图1机器人模型整体结构图
1.1机械臂底座机构 机械臂底座机构如图2所示，主要由固定底座、
底盘旋转涡轮、电动机等组成,六轴机器人的机械结 构，6个伺服电动机直接通过减速器、同步带轮等驱 动6个关节轴的旋转°固定底座与移动小车同步滑 行，即底座固定在小车上，由小车载着机械臂行驶O 电动机提供动力来源，本设计选定直流伺服电动机 进行驱动°伺服电动机也称为舵机，此机械臂由多 个舵机通过连接件将其连接成可以无死角360°旋 转运动的结构装置,并在机械臂上装有红外模块，对 抓取书籍也设计了相对应的机械爪，防止机械爪在 抓取的过程中损坏书籍，机械臂固定在运动模块上 装在小车上。这种机械设计运动灵活，操作简 单"O
1智能机器人传动机构设计
为使控制传动部分简化，机械臂的转动采用蜗 轮蜗杆传动,蜗轮蜗杆传动可使整个机械臂无死角 360。旋转；还能通过与小齿轮触碰的计数器计数实 现转动角度的精确控制,这对后续对书籍的精准摆 放具有很大帮助；转动平稳,齿轮较大，可承受整个 机械臂的重量。转动部分是机械臂多个自由度中较 重要的部分,其设计过程也是整个设计过程中较重 要的一环。
计算
图2机械臂底座机构
1.2底盘驱动机构 底盘驱动机构如 图 3 所示 O 底盘旋转 电动机初
步选定直流伺服电动机。底盘旋转电动机的负载为 底盘旋转涡轮、大机械臂、连杆伺服电动机、旋转臂 伺服电动机、机械爪、连杆机构和图书的质量之和O 总质量(85 kg,设底盘旋转涡轮摩擦因数为0. 3, 移动速度为0. 3 m/s,则底盘旋转涡轮驱动力为：
六轴智能机器人有6 个轴 每个轴的传动都需 要一台伺服电动机配备减速机,伺服电动机的选型 尤为重要,六轴智能机器人的6个轴的运动方向及 运动方式都不相同,每个轴就像是在模拟手的关节 动作旧。
1) 一轴是连接底座的部位,主要是底座左右无 死角旋转和承载整体的重量,左右无死角旋转的动
28
《新技术新工艺》设计与计算
ture.Thedesignofinteligentbookclassificationrobotwithsixaxisstructure wassimple!economicalandpractical.The hardware system of it was mainly composed of threeparts: infrared recognition module (recognitionofobstaclesmovingcar body) , six axis manipulator module and image recognition module * its control system was controlled by master-slave MCU , which was composed of information acquisition and processing module , manipulator control module and master control module.The7ntelgentbookclassf7cat7onrobotcouldrealzethepost7onoftheendefectorthroughthe movementofeach transmission mechanism modeling , it could achieve intelligent recognition clip , accurate positioning , placement and other work through modeling by SolidWorks software , the realization of the system model could greatly reduce the workload of librarians.Nowtheworldistheinformationage inteligentbookfinishing wouldinevitablydevelopintoa majorindustry andhadbeendrivingthedevelopmentofotherindustries sothesystem modelhadabroadspaceofdevelopment.
Research and Design of Intelligent Book Classification Robot Model CHEN Huangfei, LIU Ruihua, CHEN Caiyan
图4大机械臂驱动机构图
1. 4小机械臂驱动机构 小机械臂驱动机构如图5所示。旋转伺服电动
机初步选定直流伺服电动机。旋转伺服电动机的负 载为小机械臂伺服电动机、机械爪、图书的质量之 和「6）。总质量（40 kg,设底盘旋转涡轮摩擦因数为 0.3,移动速度为0. 3 m/s,则底盘旋转涡轮驱动力 为：
F1 =）g =0.3X40X10 = 120 （N） 底盘旋转涡轮最大驱动率为：
!1 = "ng =0.3X80X10 = 240 (N) 底盘旋转涡轮最大驱动率为：
P1=F1V = 240X0.3 = 72 (W) 假定机械系 统 的 传 动 效 率 为 0 8 !则 电 动 机 的
最大功率为：
《新技术新工艺》设计与计算
29
新技术新工艺2021年 第6期
+ max = +1/0. 8=90 (W)
5) 五轴通常是当产品抓取后可以使产品翻转的 动作，控制微调的上下翻转。
6) 六轴可以360°旋转，是末端法兰部分旋转功 能。
通过对智能机器人机械手六轴的设计，可自由 方便地利用编程实现机械手的灵活运动，运动角度 可达到任何一个角落，实现智能控制、精准分类的目 的。智能图书分类机器人模型整体结构如图1所 示I O
设计
作是使用伺服电动机配减速机传动的结果，每个轴 都代替一个方向的运动方式。
2) 二轴控制机器人主臂上下运动摆动、整个主 臂前后摆动的功能。
3) 三轴同样是控制机器人前后摆动功能，只是 比二轴的摆臂范围小。
4) 四轴是控制机器人上面的圆形管部分可自由 旋转的部位，活动范围相当于人的小臂，不过不是 360°旋转，跟人的小臂的范围相同。
图3底盘驱动机构图
1. 3大机械臂驱动机构 大机械臂驱动机构如图 4 所示 O 连杆伺服电动
机初步选定直流伺服 电动机 O 连杆伺服 电动机的负 载为大机械臂 、 小 机 械 臂 伺 服 电 动 机 、 机 械 爪 、 连 杆 机构和图书的质量之和。总质量(80 kg,设底盘旋 转涡轮摩擦因数为0.3,移动速度为0. 3 m/s,则底 盘旋转涡轮驱动力为：
(School of Mechanical and Electrical Engineering, Huali College , Guangdong University of Technology , Zengcheng 511325 , China) Abstract: The intelligent robot was widely used in daily life, and its technology has been becoming more and more ma-
额定功 率/W
100
额定转速/ r • min_i
额定转 矩/N i m
3000
0. 32
HSMS40-
E00330
100
3000
ຫໍສະໝຸດ Baidu
0. 32
HSMS40-
E00230
50
3000
0. 16
2控制系统设计
在控制系统中，合理选择开发平台不但能够提 高运算效率，还可以降低处理器的功耗。笔者选择 的是VS Code开发环境，并采用C+ +编程语言，C + +语言功能强大，也很适合用来控制机器的运转*
选用K210处理器的开发板套件，该处理器性能不 差，成本不高，功耗低，基本上是集大多数处理器优 点于一身，很适合人工智能的开发，内置独立的 CNN卷积神经网路运算单元，处理速度也比较快, 主频最高可以达到600 MHz,并且自带麦克风、扬 声器和摄像头「7）。 21 技术关键
图书智能分类机器人中，最重要的就是它的一 双“眼睛” 一一视觉识别系统，这是机器人识别待分 类书籍集中区的书籍的关键，通过识别系统识别到 的数据，传送到机器爪的控制系统和小车移动的控 制系统，以便能够准确地将书籍识别出来，将书籍分 到不同的书架上。如何提高视觉识别系统的准确率 是智能识别的关键，也是机器人完成图书分类的关 键。 2.2控制流程
图像识别的基本流程如图6所示。
图6图像识别的基本流程
1） 识别系统：首先让机器识别书籍或者书籍编 码，然后对图像进行数据分析，并且确定获取所需要 图像的数据的手段，通过图像预处理消除背景噪 声、光照、小车运动造成的书籍编码模糊等实际应用 影响，更好地提取有用的信息，最大限度地简化需要 的数据；在读取图像后则是对书籍编码的提取,根据 书籍上贴的编码进行提取®10）,增加识别的精度；最 后对书籍编码的信息进行处理和分析。该模型采用 扫描编码法，首先机械臂运动到书籍堆放处,对书籍 编码进行扫描，扫描的信息传送到系统处理器，就会 得到书籍的所有信息。识别中的函数为：
Keywords: servo motor mechanicalclaw inteligentrecognition bookclassification driving mechanism
图书馆的藏书众多,即使是小型图书馆也会有 上万种藏书,多则是百万种藏书，所以如何管理图书 是一个图书馆的首要问题’图书馆每天的人流量非 常多,无论是图书管理还是读者管理都具有非常大 的压力，管理好图书馆需要对图书进行分类保护 ,也 方便读者寻找书籍和文献’既然每天有很大的人流 量,必然会有很多图书会被弄混,为了让明天的读者 找到那些被弄混的书籍,图书管理员需要将它们进 行归位,这将是一个非常大的工作量,这时图书分类 机器人就有了存在的意义，它可以将那些被弄混的 书籍进行识别，然后准确定位并将书籍放置到指定 位置’为解决高校图书馆管理员过高的劳动强度和 效率低下的问题,将智能机器人应用到高校图书馆 的日常管理中已经成为当前图书馆研究的热门问 题(12)。本文作者设计了一种六自由度的图书分类 机器人,通过红外线扫描找到被弄混的书籍，然后放 置在指定的位置’
+1 - F1V =120X0. 3 = 36 （W） 假定机械系统的传动效率为0. 8,则电动机的 最大功率为：
+ max = +1/0. 8 = 45 （W）
综上可得各驱动机构的性能参数见表1'
内容
底盘驱动 机构
大机械臂 驱动机构 小机械臂 驱动机构
表1各驱动机构的性能参数
型号
HSMS40E00330
新技术新工艺2021年 第6期
智能图书分类机器人模型研究与设计％
陈黄飞，刘锐华，陈彩艳
(广东工业大学华立学院机电工程学院，广州增城511325)
摘要：智能机器人在日常生活中应用日益广泛，技术也日趋成熟。六轴结构的智能图书分类机器人 结构简单，经济实用。其硬件系统主要由红外线识别模块(识别障碍物移动车体)、六轴机械臂模块、图像 识别模块3部分组成；其控制系统采用主从式单片机的控制，由信息采集处理模块、机械臂控制模块和主 控模块组成。智能图书分类机器人能通过各个传动机构的运动实现末端执行器所要到达的位置 ，应用 SolidWorks软件进行建模，可以实现智能识别夹取、准确定位、放置等工作，该系统模型的实现可以大量 减少图书管理员的工作量。当今世界是信息化时代，图书整理的智能化必然会发展成为一大产业，并带动 其他产业的发展，因此该系统模型将具有广阔的发展空间。
F1=")* = 0.3 X 85 X 10 = 255 (N) 底盘旋转涡轮最大驱动率为：
=255X0.3 = 76.5 (W) 假定机械系统的传动效率为0. 8,则电动机的 最大功率为：
+max = +1/0. 8 = 95.7 (W)
图1机器人模型整体结构图
1.1机械臂底座机构 机械臂底座机构如图2所示，主要由固定底座、
底盘旋转涡轮、电动机等组成,六轴机器人的机械结 构，6个伺服电动机直接通过减速器、同步带轮等驱 动6个关节轴的旋转°固定底座与移动小车同步滑 行，即底座固定在小车上，由小车载着机械臂行驶O 电动机提供动力来源，本设计选定直流伺服电动机 进行驱动°伺服电动机也称为舵机，此机械臂由多 个舵机通过连接件将其连接成可以无死角360°旋 转运动的结构装置,并在机械臂上装有红外模块，对 抓取书籍也设计了相对应的机械爪，防止机械爪在 抓取的过程中损坏书籍，机械臂固定在运动模块上 装在小车上。这种机械设计运动灵活，操作简 单"O
1智能机器人传动机构设计
为使控制传动部分简化，机械臂的转动采用蜗 轮蜗杆传动,蜗轮蜗杆传动可使整个机械臂无死角 360。旋转；还能通过与小齿轮触碰的计数器计数实 现转动角度的精确控制,这对后续对书籍的精准摆 放具有很大帮助；转动平稳,齿轮较大，可承受整个 机械臂的重量。转动部分是机械臂多个自由度中较 重要的部分,其设计过程也是整个设计过程中较重 要的一环。
计算
图2机械臂底座机构
1.2底盘驱动机构 底盘驱动机构如 图 3 所示 O 底盘旋转 电动机初
步选定直流伺服电动机。底盘旋转电动机的负载为 底盘旋转涡轮、大机械臂、连杆伺服电动机、旋转臂 伺服电动机、机械爪、连杆机构和图书的质量之和O 总质量(85 kg,设底盘旋转涡轮摩擦因数为0. 3, 移动速度为0. 3 m/s,则底盘旋转涡轮驱动力为：
六轴智能机器人有6 个轴 每个轴的传动都需 要一台伺服电动机配备减速机,伺服电动机的选型 尤为重要,六轴智能机器人的6个轴的运动方向及 运动方式都不相同,每个轴就像是在模拟手的关节 动作旧。
1) 一轴是连接底座的部位,主要是底座左右无 死角旋转和承载整体的重量,左右无死角旋转的动
28
《新技术新工艺》设计与计算
ture.Thedesignofinteligentbookclassificationrobotwithsixaxisstructure wassimple!economicalandpractical.The hardware system of it was mainly composed of threeparts: infrared recognition module (recognitionofobstaclesmovingcar body) , six axis manipulator module and image recognition module * its control system was controlled by master-slave MCU , which was composed of information acquisition and processing module , manipulator control module and master control module.The7ntelgentbookclassf7cat7onrobotcouldrealzethepost7onoftheendefectorthroughthe movementofeach transmission mechanism modeling , it could achieve intelligent recognition clip , accurate positioning , placement and other work through modeling by SolidWorks software , the realization of the system model could greatly reduce the workload of librarians.Nowtheworldistheinformationage inteligentbookfinishing wouldinevitablydevelopintoa majorindustry andhadbeendrivingthedevelopmentofotherindustries sothesystem modelhadabroadspaceofdevelopment.