小型自助圖書(shū)館自動(dòng)取書(shū)裝置設(shè)計(jì)

1、摘 要圖書(shū)自動(dòng)取書(shū)裝置是圖書(shū)館機(jī)器人的一種，是實(shí)現(xiàn)圖書(shū)館信息化與自動(dòng)化融合的重要工具。本課題研發(fā)一種適用于閉架借閱圖書(shū)的圖書(shū)館圖書(shū)自動(dòng)存取裝置。該裝置可以代替人工完成圖書(shū)的自動(dòng)上下架和整理工作，既減輕圖書(shū)館員的勞動(dòng)強(qiáng)度，又提高工作效率。本課題在分析圖書(shū)自動(dòng)上下架任務(wù)規(guī)劃的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)基于直角坐標(biāo)系的3自由度機(jī)械手，簡(jiǎn)單、實(shí)用的末端執(zhí)行器。論文的主要內(nèi)容包括：設(shè)計(jì)用于圖書(shū)自動(dòng)存取的直角坐標(biāo)機(jī)械手及其末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行校核和運(yùn)動(dòng)卞仿真；在SolidWorks軟件壞境下對(duì)自動(dòng)取書(shū)機(jī)械手進(jìn)行三維建模及運(yùn)動(dòng)仿真。 關(guān)鍵詞：圖書(shū)館，自動(dòng)取書(shū)裝置，機(jī)械手 IIIAbstractAutoma

2、tic library book taking device is a library of robot， is an important tool of library information and automation integration. Automatic access library device the research suitable for closed shelving books. The device can replace the manual to complete books automatically under the frame and finishi

3、ng work， not only reduce the labor intensity of librarians， and improve the work efficiency.This topic based automatic under the frame of mission planning analysis in the book， the design of 3 degree of freedom manipulator based on Cartesian coordinates， a simple， practical end actuator. The main co

4、ntent of this paper includes: the design of Cartesian coordinate manipulator automatic access to books and end effector for， verifying and motion simulation of the structure Bian robot design in SolidWorks software environment； on automatic book taking mechanical hand for three dimensional modeling

5、and motion simulation. Key Words: Library， automatic fetching device， mechanical hand 目 錄摘 要IAbstractII目 錄III第1章 緒論11.1 本課題研究的背景及意義11.2 圖書(shū)館圖書(shū)自動(dòng)存取裝置的發(fā)展現(xiàn)狀11.2.1自助圖書(shū)館11.2.2 自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)式圖書(shū)館21.2.3 移動(dòng)式圖書(shū)館機(jī)器人31.3 本課題研究主要內(nèi)容5第2章 自動(dòng)取書(shū)裝置總體方案設(shè)計(jì)62.1取書(shū)機(jī)械手機(jī)構(gòu)的方案選擇62.2總體方案選擇82.3末端執(zhí)行器的方案選擇92.4運(yùn)動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)方案選擇102.5 本章小結(jié)10第3章 自動(dòng)取書(shū)

6、裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)113.1 末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)113.2 垂直升降單元機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)123.3 水平平移單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)183.3.1 最大工作載荷的計(jì)算183.3.2 齒輪齒條結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算183.3.3 步進(jìn)電機(jī)減速箱的選用20第4章 基于SolidWorks的三維建模設(shè)計(jì)224.1 SolidWorks模塊介紹224.2 自動(dòng)取書(shū)裝置建模224.3 自動(dòng)取書(shū)裝置二維裝配圖26結(jié)論28參考文獻(xiàn)29致 謝31 第1章 緒論1.1 本課題研究的背景及意義本課題研究一種用于圖書(shū)館的圖書(shū)自動(dòng)存取裝置，即移動(dòng)式圖書(shū)館圖書(shū)自動(dòng)存取機(jī)器人。在圖書(shū)館的日常管理中，圖書(shū)的歸類(lèi)、搬運(yùn)和上下架等作業(yè)需要花費(fèi)大量人力和時(shí)間

7、，增加了圖書(shū)館員的勞動(dòng)強(qiáng)度，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)圖書(shū)歸類(lèi)錯(cuò)誤和上架錯(cuò)誤等現(xiàn)象。目前，多數(shù)圖書(shū)館利用二維條碼和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了圖書(shū)信息系統(tǒng)管理，即圖書(shū)采購(gòu)、圖書(shū)典藏、讀者借還書(shū)等環(huán)節(jié)的信息化管理，提升了圖書(shū)館的管理和服務(wù)水平。在信息化浪潮中，圖書(shū)館缺少以機(jī)械化為基礎(chǔ)的自動(dòng)化裝置。圖書(shū)館作業(yè)的自動(dòng)化和智能化，能夠從根本上減輕圖書(shū)館員的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率，尤其適用于釆用閉架借閱圖書(shū)的圖書(shū)館。在博物館和檔案館，重要文獻(xiàn)資料需要在恒溫、恒濕環(huán)境下保存。利用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)圖書(shū)和文獻(xiàn)資料的歸類(lèi)、自動(dòng)存取操作，不僅能減少館員頻繁進(jìn)出館藏室對(duì)重要文獻(xiàn)的保存環(huán)境造成擾動(dòng)和破壞，更有利于文獻(xiàn)保護(hù)。因此，自動(dòng)化技術(shù)和信息技術(shù)

8、的有效融合，是未來(lái)圖書(shū)館的重要發(fā)展趨勢(shì)。中國(guó)已經(jīng)進(jìn)入老齡化社會(huì)，如果能將圖書(shū)館信息資理系統(tǒng)、圖書(shū)自動(dòng)存取系統(tǒng)和物流配送系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)讀者居家借閱和歸還圖書(shū)的目標(biāo)，滿足高齡讀者自由借閱圖書(shū)的需要。因此，研究和開(kāi)發(fā)圖書(shū)自動(dòng)存取裝置是一項(xiàng)有社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的研究項(xiàng)目。1.2 圖書(shū)館圖書(shū)自動(dòng)存取裝置的發(fā)展現(xiàn)狀目前，大部分圖書(shū)館都是利用人工整理、清點(diǎn)、查找和上下架閣書(shū)，耗費(fèi)了大量的時(shí)間和勞動(dòng)力。為了提高圖書(shū)館自動(dòng)化平，圖書(shū)館圖書(shū)自動(dòng)存取機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。目前，圖書(shū)館機(jī)器人主要用于圖書(shū)的搬運(yùn)和自動(dòng)存取，自動(dòng)存取的主要形式有3種:自助圖書(shū)館，它是基于書(shū)架的自動(dòng)化，輔助自動(dòng)傳送系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖書(shū)自動(dòng)存?。蛔詣?dòng)

9、倉(cāng)儲(chǔ)式閣書(shū)館，它基于移動(dòng)搬運(yùn)機(jī)器人與自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的配合，完成圖書(shū)的自動(dòng)存取；移動(dòng)式閣書(shū)館機(jī)器人，它完全依賴(lài)于移動(dòng)式服務(wù)機(jī)器人來(lái)完成圖書(shū)的自動(dòng)存取。1.2.1自助圖書(shū)館自助閣書(shū)館是一種類(lèi)似于銀行ATM的迷你圖書(shū)自助存取設(shè)備。該設(shè)備的書(shū)庫(kù)由若干排可獨(dú)立移動(dòng)的機(jī)械柜組成，每個(gè)機(jī)械柜配有獨(dú)立的圖書(shū)自動(dòng)傳送機(jī)構(gòu)，可單獨(dú)實(shí)現(xiàn)圖書(shū)自動(dòng)存取操作。讀者借閱閣書(shū)類(lèi)似于從銀行 ATM機(jī)上取鈔票已樣。歸還圖書(shū)時(shí)，讀者只需要將閣書(shū)放入還書(shū)口即可。2007年12月，我國(guó)廣東省東莞市推出了國(guó)內(nèi)首臺(tái)圖書(shū)館ATM，如圖1-1所示。該設(shè)備可容納圖書(shū)500冊(cè)，兼容條形碼和RFID (Radio Frequency Identif

10、ication，無(wú)線射頻識(shí)別)技術(shù)，并結(jié)合智能機(jī)械手技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖書(shū)的自動(dòng)外借、歸還，降低了圖書(shū)物流等運(yùn)行成本。這種自助圖書(shū)館打破了傳統(tǒng)圖書(shū)館的概念，為市民提供24小時(shí)圖書(shū)自助借還服務(wù)，市民不必花很長(zhǎng)時(shí)間到圖書(shū)館去借還書(shū)，而是到離家較近的服務(wù)終端就可以借還書(shū)籍，極大的提高了市民對(duì)閱讀的興趣。截至2010年底，北京、上海、廣州、深圳、鄭州、鄂爾多斯等省市相繼推出了這種迷你型自助圖書(shū)館。圖1-1 深圳圖書(shū)館ATM1.2.2 自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)式圖書(shū)館自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)式圖書(shū)館是一種大型的圖書(shū)自動(dòng)化存取裝置。這種名為ARC(Automated Retrieval Center)設(shè)備首先在美國(guó)猶他州J.Willard Mar

11、riott圖書(shū)館投入使用，如圖1-2所示。該圖書(shū)館藏書(shū)200萬(wàn)冊(cè)，藏書(shū)庫(kù)被設(shè)計(jì)成大型自動(dòng)化立體化倉(cāng)庫(kù)，由碼垛機(jī)和機(jī)器人配合完成圖書(shū)的自動(dòng)存取。當(dāng)圖書(shū)館員或讀者發(fā)出取書(shū)指令后，碼垛機(jī)從立體倉(cāng)庫(kù)中取出圖書(shū)，由移動(dòng)機(jī)器人將圖書(shū)送到借書(shū)口，還書(shū)過(guò)程與収書(shū)過(guò)程相反。自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)式圖書(shū)館系統(tǒng)的工作效率和自動(dòng)化程度高，但系統(tǒng)造價(jià)高，僅機(jī)器人系統(tǒng)就高達(dá)1200萬(wàn)美元，一般圖書(shū)館沒(méi)有財(cái)力購(gòu)買(mǎi)。但J.Willard Marriott圖書(shū)館的管理層認(rèn)為，應(yīng)用ARC系統(tǒng)能夠節(jié)省巨大的圖書(shū)管理成本。同時(shí)，ARC系統(tǒng)還存在一旦自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)生故障，則整個(gè)書(shū)庫(kù)無(wú)法運(yùn)行的缺點(diǎn)，美國(guó)芝加哥大學(xué)圖書(shū)館、內(nèi)華達(dá)大學(xué)圖書(shū)館、加拿大的不列顛

12、哥倫比亞大學(xué)圖書(shū)館等高校圖書(shū)館也在使用這種圖書(shū)自動(dòng)存取裝置。由于造價(jià)過(guò)高和其他原兇，我國(guó)還沒(méi)有圖書(shū)館使用這種設(shè)備。圖1-2 猶他州自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)式圖書(shū)館1.2.3 移動(dòng)式圖書(shū)館機(jī)器人自助圖書(shū)館相對(duì)于傳統(tǒng)圖書(shū)館來(lái)說(shuō)是一種全新設(shè)計(jì)，比較適合安置在社區(qū)或街頭的小型閣書(shū)室。而自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)式圖書(shū)館不僅造價(jià)卨，而且還要對(duì)圖書(shū)館的普通書(shū)柜進(jìn)行全面改造，推廣應(yīng)用的可能性極低。因此，對(duì)于傳統(tǒng)圖書(shū)館而言，在不改變圖書(shū)館書(shū)架的前提下，利用智能移動(dòng)機(jī)器人搬運(yùn)、自動(dòng)上下架圖書(shū)是一種切實(shí)可行的應(yīng)用方案。按照功能分類(lèi)，移動(dòng)式圖書(shū)館機(jī)器人可分為兩種基本類(lèi)型:一種是只負(fù)責(zé)將圖書(shū)搬運(yùn)到指定地點(diǎn)的搬運(yùn)機(jī)器人；另一種是不僅可以將圖書(shū)搬運(yùn)到指定

13、地點(diǎn)，還自動(dòng)進(jìn)行圖書(shū)自動(dòng)上下架操作的圖書(shū)自動(dòng)存取機(jī)器人。(1)圖書(shū)搬運(yùn)機(jī)器人從目前的研究和報(bào)道來(lái)看，圖書(shū)館圖書(shū)搬運(yùn)機(jī)器人已經(jīng)在德國(guó)洪堡大學(xué)圖書(shū)館和日本大阪市立大學(xué)圖書(shū)館投入使用。德國(guó)洪堡大學(xué)圖書(shū)使用的圖書(shū)搬運(yùn)機(jī)器人，如圖1-3所示。機(jī)器人由設(shè)在其上部的導(dǎo)軌導(dǎo)引，可在總服務(wù)臺(tái)與子服務(wù)區(qū)之間自動(dòng)傳送需要上架和分檢的書(shū)刊。并可自動(dòng)乘坐電梯，往返于一樓和二樓之間。整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)耗資約38萬(wàn)歐元，相當(dāng)于7個(gè)圖書(shū)館員的年薪。日本大阪市立大學(xué)圖書(shū)館的搬運(yùn)機(jī)器人，如圖1-4所示，可以根據(jù)指令將圖書(shū)送到指定的地方。讀者閱讀后將書(shū)籍放在指定的小車(chē)上，搬運(yùn)機(jī)器人自動(dòng)行駛到小車(chē)旁邊，通過(guò)托盤(pán)將小車(chē)托起并搬運(yùn)到指定地點(diǎn)

14、。圖書(shū)搬運(yùn)機(jī)器人是依靠埋設(shè)在圖書(shū)館地面上的電磁導(dǎo)引線進(jìn)行自主導(dǎo)航的。以上兩種圖書(shū)館圖書(shū)搬運(yùn)機(jī)器人只能將圖書(shū)按照?qǐng)D書(shū)分類(lèi)搬運(yùn)到指定位置，并不能完成圖書(shū)的自動(dòng)上下架操作，圖書(shū)的整理和上下架操作仍然需要人工來(lái)完成。 圖1-3 德國(guó)洪堡大學(xué)圖書(shū)館機(jī)器人 圖1-4 日本大阪市立大學(xué)圖書(shū)館機(jī)器人(2)圖書(shū)自動(dòng)存取機(jī)器人圖書(shū)自動(dòng)存収機(jī)器人目前正處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，其智能化和自動(dòng)化程度高，雖然沒(méi)有商業(yè)應(yīng)用的案例，但它代表了未來(lái)圖書(shū)館機(jī)器人的發(fā)展方向。美國(guó)約翰.霍普金斯大學(xué)(Johns Hopkins University)的研究人員研制的一種完整意義上的圖書(shū)館圖書(shū)自動(dòng)存取機(jī)器人實(shí)驗(yàn)裝置，即CAPM(Compr

15、ehensiveAccess to Printed Materials，存取不同類(lèi)型印刷品)圖書(shū)自動(dòng)存取裝置，如圖1-5所示。該裝置由移動(dòng)裝置、升降裝置、機(jī)械手和視覺(jué)系統(tǒng)等部分組成，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主導(dǎo)航、圖書(shū)抓取與存儲(chǔ)、圖書(shū)瀏覽等。CAPM圖書(shū)自動(dòng)存取機(jī)器人的移動(dòng)路徑是依靠存儲(chǔ)在機(jī)器人控制器中的電子地圖來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出存取圖書(shū)的指令后，機(jī)器人將按照預(yù)定好的路線移動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)圖書(shū)的自動(dòng)存取。但是，為了實(shí)現(xiàn)圖書(shū)的自動(dòng)存取，還需要對(duì)書(shū)架進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，每本圖書(shū)在書(shū)架上的排列要求松散且有類(lèi)似文件夾的裝置使其保持直立。在CAPM圖書(shū)自動(dòng)存取機(jī)器人的基礎(chǔ)上，新加坡國(guó)立大學(xué)的Kho Hao Yuan

16、等人研究了基于RFID定位技術(shù)的智能圖書(shū)存取機(jī)器人系統(tǒng)。該智能圖書(shū)存取機(jī)器人系統(tǒng)是由機(jī)器人、放置圖書(shū)的托盤(pán)和書(shū)架組成。與傳統(tǒng)樣式的書(shū)架不同，新型設(shè)計(jì)的書(shū)架是由若千個(gè)裝有托盤(pán)的儲(chǔ)物柜組成，圖書(shū)橫置在固定規(guī)格的托盤(pán)上，然后由機(jī)器人送到書(shū)架某個(gè)指定位置上。研究人員通過(guò)改造傳統(tǒng)的圖書(shū)放置方式簡(jiǎn)化了機(jī)器人機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，末端執(zhí)行器無(wú)需做復(fù)雜的抓取動(dòng)作就能完成圖書(shū)的下架操作。但由于需要對(duì)書(shū)架進(jìn)行改造，這種圖書(shū)館機(jī)器人設(shè)計(jì)思路很難保證得到大范圍的推廣。西班牙卡斯捷羅大學(xué)的Ramos-Garijo R，Prats M等人設(shè)計(jì)了一款名叫UJI的圖書(shū)館機(jī)器人，如圖1-6所示。該圖書(shū)館機(jī)器人以三輪移動(dòng)小車(chē)為載體，

17、其上裝備有7自由度機(jī)械手及其末端夾持機(jī)構(gòu)。另外，在夾持機(jī)構(gòu)上還裝有攝像機(jī)和傳感器，用來(lái)進(jìn)行圖書(shū)識(shí)別和末端執(zhí)行器定位。圖書(shū)定位主要利用了紅外技術(shù)和激光技術(shù)，使用該技術(shù)，需要對(duì)周?chē)?米范圍內(nèi)的全部書(shū)籍進(jìn)行掃描，以確定讀者所需的圖書(shū)。這種設(shè)計(jì)充分利用了書(shū)架空問(wèn)，書(shū)與書(shū)之間是緊密連接的，書(shū)架也不需要做大的改動(dòng)，適立在傳統(tǒng)圖書(shū)館中進(jìn)行推廣使用。圖1-5 約翰.霍普金斯大學(xué)的圖書(shū)館機(jī)器人 圖1-6 卡捷特羅大學(xué)圖書(shū)館機(jī)器人1.3 本課題研究主要內(nèi)容基于對(duì)上述國(guó)內(nèi)外圖書(shū)館管理系統(tǒng)和自助圖書(shū)館的發(fā)展情況的調(diào)查與研究，本文對(duì)高校校園自助圖書(shū)館管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究，針對(duì)于當(dāng)今高校圖書(shū)館管理方式所暴露出的

18、問(wèn)題，提出校園自助管理系統(tǒng)實(shí)施的必要性。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的需求分析，完成了小型圖書(shū)館自動(dòng)取書(shū)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。最后，對(duì)裝置存在的風(fēng)險(xiǎn)及后期發(fā)展進(jìn)行了論述，為今后的研究提供有效的幫助。主要內(nèi)容：確定自動(dòng)圖書(shū)庫(kù)的基本結(jié)構(gòu)，主要由夾書(shū)機(jī)械手、E形隔書(shū)板、立式柜臺(tái)式外形、控制系統(tǒng)組成?；舅悸罚翰殚啓C(jī)械手相關(guān)資料，設(shè)計(jì)好機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方式以及夾持力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，用三維軟件畫(huà)出自動(dòng)圖書(shū)庫(kù)的形狀，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。11第2章 自動(dòng)取書(shū)裝置總體方案設(shè)計(jì)2.1取書(shū)機(jī)械手機(jī)構(gòu)的方案選擇圖書(shū)館圖書(shū)自動(dòng)存取裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以分為移動(dòng)平臺(tái)和圖書(shū)自動(dòng)存取機(jī)械手兩部分。移動(dòng)平臺(tái)負(fù)載著圖書(shū)存取機(jī)械手裝置、控制系統(tǒng)、電源系

19、統(tǒng)等，負(fù)責(zé)機(jī)器人的整體移動(dòng)。圖書(shū)存取機(jī)械手機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)圖書(shū)的自動(dòng)查找、識(shí)別和存取。閣書(shū)存取機(jī)械手是圖書(shū)館機(jī)器人完成圖書(shū)存取任務(wù)的重要裝置，其工作內(nèi)容如下:當(dāng)圖書(shū)館機(jī)器人獲得取書(shū)命令，移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)到指定位置后，機(jī)械手通過(guò)攝像頭掃描識(shí)別圖書(shū)，圖書(shū)識(shí)別成功后，山圖書(shū)存取機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行圖書(shū)的夾取；。機(jī)器人獲得存書(shū)命令后，機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)夾取所還圖書(shū)，移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)到指定位置，機(jī)械手通過(guò)攝像頭辨別該圖書(shū)所在書(shū)架層的最后一本圖書(shū)的位置，然后山末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)將圖書(shū)放黃在該層的最后位置。典型的機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1 典型的機(jī)械手結(jié)構(gòu)直角坐標(biāo)機(jī)器手如圖2-1 (a)所示，是各個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度之間成直角

20、關(guān)系的機(jī)械手，可以為機(jī)器人提供X、Y、Z軸三個(gè)方向的自由度。在機(jī)器人末端可以按照需要安裝末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成工作任務(wù)。目前，直角坐標(biāo)機(jī)器人作為工業(yè)機(jī)器人被廣泛的應(yīng)用在輝接、裝配、上下料、碼探、包裝等制造業(yè)中。直角坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于空間軌跡求解，但機(jī)械手體積較大，工作空間局限在一個(gè)長(zhǎng)方體內(nèi)。柱面坐標(biāo)機(jī)械手如圖2-1 (b)所示，它由一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和兩個(gè)平移關(guān)節(jié)組成，可提供X、Z兩軸方向上的平移運(yùn)動(dòng)和Z軸方向上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這種機(jī)械手的工作空間是一個(gè)圓柱面，所以稱(chēng)為圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手。這種機(jī)械手被用于工件的裝卸和搬運(yùn)。球面坐標(biāo)機(jī)械手如圖2-1 (c)所示，它山兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)平移關(guān)節(jié)組成，其運(yùn)動(dòng)模

21、式與坦克炮塔類(lèi)似。機(jī)械手可以完成X、Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和X軸的平移運(yùn)動(dòng)。這種機(jī)械手的結(jié)構(gòu)緊湊，工作空間為球面的一部分，因此被稱(chēng)為球面坐標(biāo)型機(jī)械手。關(guān)節(jié)型球面坐標(biāo)機(jī)械手如圖2-1 (d)所示，它山三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，可以完成X、Y、Z三軸上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)緊湊，工作時(shí)類(lèi)似于人類(lèi)的手臂。這種機(jī)械工作空間大、應(yīng)用廣泛，常用于噴漆、裝配、媒接等作業(yè)。由于其工作空間為球面的大部分，因此被稱(chēng)為關(guān)節(jié)型球面坐標(biāo)機(jī)械手。表2-1 典型機(jī)械手結(jié)構(gòu)的比較類(lèi)型工作空間特點(diǎn)缺點(diǎn)應(yīng)用直角坐標(biāo)型長(zhǎng)方形運(yùn)動(dòng)直觀性腔、控制簡(jiǎn)單占地面積大、動(dòng)作靈活性差焊接、裝配、上下料、碼垛、包裝柱面坐標(biāo)型圓柱型占地面積小、活動(dòng)范圍大、結(jié)構(gòu)緊湊、定

22、位精度高負(fù)載能力差裝卸、搬運(yùn)、裝配球面坐標(biāo)型球形占地面積小、活動(dòng)范圍大、動(dòng)作較靈活運(yùn)動(dòng)控制較復(fù)雜機(jī)器人點(diǎn)焊、搬運(yùn)關(guān)節(jié)型近似球形通用性強(qiáng)、動(dòng)作靈活、范圍大運(yùn)動(dòng)直觀性差、運(yùn)動(dòng)控制較復(fù)雜噴漆、裝配、焊接典型機(jī)械手結(jié)構(gòu)比較如表2-1所示。采用關(guān)節(jié)取機(jī)械手，有助于增加機(jī)器人的平順性和靈巧性，但成本較高、運(yùn)動(dòng)直觀；控制較復(fù)雜。而采用直角坐標(biāo)型機(jī)械手成本低、控制簡(jiǎn)單是比較現(xiàn)想的方式。根掘圖書(shū)館機(jī)器人的工作需要，安裝在機(jī)械手上的攝像頭要沿Y軸逐一對(duì)圖書(shū)進(jìn)行掃描，以尋找到目標(biāo)圖書(shū)。觀察幾種不同結(jié)構(gòu)的機(jī)械手，其中直角坐標(biāo)機(jī)械手最易完成沿Y軸的直線運(yùn)動(dòng)，而其他機(jī)械手則需要借助移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)或復(fù)雜的控制來(lái)完成沿Y軸的

23、直線運(yùn)動(dòng)。因此，選擇直角坐標(biāo)型機(jī)械手更為合適。在機(jī)械手末端安裝上末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)后，圖書(shū)館機(jī)器人便可以完成復(fù)雜的取書(shū)動(dòng)作。2.2總體方案選擇在對(duì)圖書(shū)館機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)吋，首先要考慮其工作壞境。圖書(shū)館機(jī)器人進(jìn)行圖書(shū)自動(dòng)存取的工作空間為兩書(shū)柜之間，空問(wèn)較狹窄，設(shè)計(jì)時(shí)必須限制機(jī)器人最大寬度。另外，其可移動(dòng)性、輕便性、易操作性、工作安全性、工作效率、外觀等因素也是需要考慮的重要因素。此外，還需要考成到其經(jīng)濟(jì)性。降低制造成本需要從選材入手。盡量選擇批量生產(chǎn)標(biāo)淮化、通用化和機(jī)器人模塊化產(chǎn)品，這樣可以隨時(shí)對(duì)機(jī)器人做適到的改裝，有利于舊產(chǎn)品的更新?lián)Q代，既節(jié)約了成本，又縮短了生產(chǎn)周期。在設(shè)計(jì)非標(biāo)唯化零部件吋，耍注

24、意設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的零件結(jié)構(gòu)，合理規(guī)定公差等級(jí)，并考慮零件的加工工藝和裝配工藝性?？傊?，合理的功能實(shí)現(xiàn)、簡(jiǎn)約的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)雄的操作方法是機(jī)器人設(shè)計(jì)能否成功的關(guān)鍵。本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)取書(shū)裝置總體結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，主要分3部分：圖書(shū)抓取機(jī)構(gòu)，也就是末端執(zhí)行器；垂直升降機(jī)構(gòu)；水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)。圖2-2 自動(dòng)取書(shū)裝置總體結(jié)構(gòu)圖目前主流的直線傳動(dòng)形式有絲杠螺母及齒輪齒條傳動(dòng)。齒輪齒條傳動(dòng)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，但是，這樣的機(jī)構(gòu)可以反向驅(qū)動(dòng)，也就是齒條做直線運(yùn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，適合大距離的傳遞，如機(jī)床導(dǎo)軌底下帶動(dòng)托板箱移動(dòng)的就是齒輪齒條傳動(dòng)。齒輪齒條傳動(dòng)具有承載力大、傳動(dòng)效率較高等特點(diǎn)，傳動(dòng)精度較高，可達(dá)0.1mm，

25、可無(wú)限長(zhǎng)度對(duì)接延續(xù)，傳動(dòng)速度可以很高，>2m/s，絲桿傳動(dòng)也可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)的直線運(yùn)動(dòng)，直線運(yùn)動(dòng)的速度由絲桿的導(dǎo)程、以及絲桿轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，適合做精密的傳動(dòng)，如機(jī)床工作臺(tái)的移動(dòng)。普通梯形絲杠可以自鎖，這是最大優(yōu)點(diǎn)，但是傳動(dòng)效率低下，比齒輪齒條形式低許多，所以不適合高速往返傳動(dòng)。缺點(diǎn)是時(shí)間久了傳動(dòng)間隙大，回程精度差，用在垂直傳動(dòng)較合適。在長(zhǎng)距離重負(fù)載直線運(yùn)動(dòng)上，絲桿有可能強(qiáng)度不夠，就會(huì)導(dǎo)致機(jī)器出現(xiàn)震動(dòng)、抖動(dòng)等情況，嚴(yán)重的，會(huì)導(dǎo)致絲桿彎曲、變形、甚至斷裂等等；而齒條就不會(huì)有這樣的情況，齒條可以長(zhǎng)距離無(wú)限接長(zhǎng)并且高速運(yùn)轉(zhuǎn)而不影響齒條精度（當(dāng)然這個(gè)跟裝配、床身本身精度都有關(guān)系），絲桿就做不到這

26、一點(diǎn)，但在短距離直線運(yùn)動(dòng)中，絲桿的精度明顯要比齒條高得多。另外就是，齒條齒輪傳動(dòng)對(duì)于絲杠螺母結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)講要相對(duì)簡(jiǎn)單一些。通過(guò)以上分析不難發(fā)現(xiàn)，兩種傳動(dòng)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)本課題的設(shè)計(jì)要求，決定采用本次設(shè)計(jì)的自動(dòng)取書(shū)裝置升降單元采用滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)，平移單元采用齒輪齒條副結(jié)構(gòu)。2.3末端執(zhí)行器的方案選擇機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)是圖書(shū)館機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最重要的設(shè)計(jì)部分，它的靈巧設(shè)計(jì)直接決定了機(jī)器人取書(shū)是否成功。在取書(shū)過(guò)程中，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要完成圖書(shū)的撥取與夾取兩個(gè)動(dòng)作。因此，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)可分為兩部分，夾書(shū)機(jī)構(gòu)和取書(shū)機(jī)構(gòu)。機(jī)器人在取書(shū)時(shí)類(lèi)似于人手取書(shū)的動(dòng)作，一個(gè)手指將書(shū)從其他圖書(shū)中撥取出來(lái)后，另外兩個(gè)手指進(jìn)行夾取。設(shè)計(jì)時(shí)按照這個(gè)思路，將末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)成三指形式，一個(gè)手指負(fù)責(zé)取書(shū)，另外兩個(gè)手指負(fù)責(zé)夾書(shū)。圖2-3所示為取書(shū)原理圖。圖2-3 取書(shū)原理圖取書(shū)機(jī)構(gòu)專(zhuān)門(mén)用于取書(shū)動(dòng)作，由一個(gè)取書(shū)手指組成。當(dāng)機(jī)械手執(zhí)行取書(shū)任務(wù)時(shí)，首先將取書(shū)手指壓在所取圖書(shū)的書(shū)脊上部，給予一定的壓力。然后手指向后收回，只要摩擦力足夠大，圖書(shū)就會(huì)以書(shū)脊底部為軸，向書(shū)柜外側(cè)旋轉(zhuǎn)，撥取任務(wù)完成。由于圖書(shū)的尺寸厚度各不相同，在設(shè)計(jì)