一种书籍抓取装置及一种书籍抓取装置的控制方法与流程

本发明涉及智能夹具领域，特别涉及一种书籍抓取装置及一种书籍抓取装置的控制方法。

背景技术：

在大型图书馆的日常管理中，图书上架机器人正在逐渐替代人力，实现自动盘点、摆放上架等操作。上架机器人的开发，除了需要配置控制软件系统，在机器人的终端执行端需要配备功能比较强大且通用性很强的图书抓取装置，实现不同大小、厚度、重量的书籍的抓取和摆放工作。由于是配合机器人使用，所以对图书抓取装置的重量、精度、安全性和功能性都有很高的要求。

国内很多单位和个人都在此做了很多尝试，例如湖北工业大学申请的《一种图书抓取与放回装置的末端执行器》申请号201610927023.6采用电机转动，通过涡轮蜗杆和多连杆机构的作用，带动夹书机构运动，实现图书的夹紧和放开，缺点容易夹伤手指，安全性低，且噪音大。向风帆《图书atm机及其带测厚功能的图书抓取机械》申请号201610626708.7采用电机驱动，通过滚珠丝杠和弹簧结构，带动夹书机构运动，优点是配备了厚度传感器，可以测量书籍厚度，但是缺点也很明显，就是电机驱动容易夹伤手指，安全性低，且噪音大。上海大学的《一种用于图书自动抓取与放置的装置》申请号201610277274.4采用电驱动运动部件对目标图书进行抓取与放置，结合机器视觉ccd相机能够实现图书自动识别与边缘检测，缺点是体积太大，通用性非常弱。以上三个专利都在使用中显露出很多弊端，归纳起来就是重量大、安全性差、噪音大和通用性差，目前图书馆上架机器人急需一款综合性能很好的抓取机构。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明中披露了一种书籍抓取装置及一种书籍抓取装置的控制方法，本发明的技术方案是这样实施的：

一种书籍抓取装置，包括：吸取模块、伸缩夹紧模块、安装模块和机器视觉模块；其中，所述吸取模块包括：若干个真空吸盘、真空发生器和定位板；所述真空吸盘安装固定在所述定位板上；所述真空发生器通过气管连接至所述真空吸盘，为所述真空吸盘提供负压；所述定位板设有供电线和所述气管通过的通孔；所述伸缩夹紧模块包含：旋转气缸、夹紧板、旋转气缸安装板、固定座、导向轴、直线轴承、基准板、薄型气缸、浮动接头和电磁阀；所述夹紧板安装在所述旋转气缸上，工作时，成对的所述旋转气缸按相反方向旋转，带动所述夹紧板做开合运动；所述旋转气缸固定于所述固定座上；所述导向轴穿过所述直线轴承的中心孔，与所述固定座连接固定；所述直线轴承安装在所述基准板上；所述薄型气缸安装在所述基准板上；所述浮动接头安装在所述薄型气缸和所述旋转气缸安装板之间；所述电磁阀安装在所述基准板上，连接并控制所述薄型气缸和所述旋转气缸的运动；所述基准板与所述定位板固定连接；所述安装模块包括：安装法兰和连接板；所述连接板固定在所述安装法兰上；所述基准板连接至所述连接板，使所述伸缩夹紧模块与所述安装模块固定连接；所述机器视觉模块包括：折弯件、数码相机和光源；所述折弯件连接至所述安装模块；所述数码相机安装在所述折弯件上，所述光源连接至所述数码相机。

优选地，所述真空吸盘沿圆周均匀分布，所述真空吸盘的数量为3～8个。

优选地，所述安装模块还包括：加强筋和电线支架，所述加强筋设置于所述安装法兰和所述连接板之间，所述电线支架安装在所述加强筋上。

优选地，所述折弯件连接至所述加强筋。

优选地，所述光源为环形光源，所述机器视觉模块还包括环形光源支架，所述环形光源支架固定在所述数码相机上。

优选地，还包括中央处理器，所述中央处理器为plc或单片机，所述中央处理器连接至所述吸取模块、所述伸缩夹紧模块和所述机器视觉模块。

优选地，所述中央处理器还包括无线通讯模块，所述无线通讯模块连接至云端服务器，所述云端服务器设有储存书籍信息的数据库。

一种书籍抓取装置的控制方法，使用具有上述特点的书籍抓取装置，包括：步骤一：书籍抓取动作1.1启动所述机器视觉模块，打开所述光源照亮目标书籍，所述数码相机对所述目标书籍进行拍照，将照片在所述中央处理器中进行分析，获取图片中的目标书籍的信息，读取所述服务器中的所述数据库中储存的书籍信息，确定书籍位置；1.2启动所述吸取机构，启动所述真空发生器，所述真空吸盘产生真空负压，贴合并抓住所述目标书籍；1.3启动所述伸缩夹紧模块，所述电磁阀控制所述旋转气缸运动，打开所述夹紧板，所述电磁阀控制所述薄型气缸做伸出运动，通过所述浮动接头，带动所述旋转气缸安装板一起伸出，伸出完成后，所述电磁阀控制所述旋转气缸进行闭合，闭合完成后，所述薄型气缸缩回，直到所述夹紧板与所述目标书籍接触并压紧书籍；1.4移动书籍至所述书籍位置；步骤二：书籍放回动作2.1启动所述伸缩夹紧模块，所述电磁阀控制所述薄型气缸伸出，使所述压紧板与所述目标书籍脱离，所述电磁阀控制所述旋转气缸运动，张开所述夹紧板，所述电磁阀控制所述薄型气缸缩回，通过所述浮动接头，带动所述旋转气缸安装板一起缩回；2.2启动所述吸取机构，关闭所述真空发生器，所述真空吸盘不再产生真空负压，使所述真空吸盘与所述目标书籍脱离；2.3启动所述机器视觉模块，判断是否已经完成放回，若否，回到步骤1.1；若是，结束。

优选地，所述书籍信息包括：二维码和/或条形码、书籍名称、书籍编号和书籍位置。

优选地，所述步骤2.3还包括，拍摄所述目标书籍，读取所述服务器中的数据库中的书籍信息，核对该书籍信息与步骤1.1中的书籍信息是否吻合。

实施本发明的技术方案可解决现有技术中书籍抓取装置重量大、安全性差、噪音大和通用性差的技术问题；实施本发明的技术方案，使用真空吸盘与夹紧板两种夹紧方式，真空吸盘数量、位置可调整，提高装置通用性；使用压缩空气为动力，无齿轮等机械传动件，噪音小，便于操作；数据存储于远程服务器，装置结构简单，减轻装置重量，减小装置体形；中央处理系统可以通过书籍名称、书籍编号、书籍位置、二维码或条形码识别书籍，识别方式智能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种具体实施方式的吸取模块结构示意图；

图2为本发明的一种具体实施方式的伸缩夹紧模块结构示意图1；

图3为本发明的一种具体实施方式的伸缩夹紧模块结构示意图2；

图4为本发明的一种具体实施方式的安装模块结构示意图；

图5为本发明的一种具体实施方式的机器视觉模块结构示意图；

图6为本发明的一种具体实施方式的装置整体示意图；

图7为本发明的控制方法步骤一流程示意图；

图8为本发明的控制方法步骤二流程示意图。

在上述附图中，各图号标记分别表示：

1-真空吸盘；2-真空发生器；3-定位板；4-旋转气缸；5-夹紧板；6-固定座；7-导向轴；8-直线轴承；9-基准板；10-薄型气缸；11-浮动接头；12-电磁阀；13-安装法兰；14-连接板；15-折弯件；16-数码相机；17-光源；18-加强筋；19-电线支架；20-光源支架；21-旋转气缸安装板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的一种具体实施方式中，一种书籍抓取装置，如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，包括：吸取模块、伸缩夹紧模块、安装模块和机器视觉模块；其中，吸取模块包括：若干个真空吸盘1、真空发生器2和定位板3；真空吸盘1安装固定在定位板3上；真空发生器2通过气管连接至真空吸盘1，为真空吸盘1提供负压；定位板3设有供电线和气管通过的通孔；伸缩夹紧模块包含：旋转气缸4、夹紧板5、旋转气缸安装板21、固定座6、导向轴7、直线轴承8、基准板9、薄型气缸10、浮动接头11和电磁阀12；夹紧板5安装在旋转气缸4上，工作时，成对的旋转气缸4按相反方向旋转，带动夹紧板5做开合运动；旋转气缸4固定于固定座6上；导向轴7穿过直线轴承8的中心孔，与固定座6连接固定；直线轴承8安装在基准板9上；薄型气缸10安装在基准板9上；浮动接头11安装在薄型气缸10和定位板3之间；电磁阀12安装在基准板9上，连接并控制薄型气缸10和旋转气缸4的运动；基准板9与定位板3固定连接；安装模块包括：安装法兰13和连接板14；连接板14固定在安装法兰13上；基准板9连接至连接板14，使伸缩夹紧模块与安装模块固定连接；机器视觉模块包括：折弯件15、数码相机16和光源17；折弯件15连接至安装模块；数码相机16安装在折弯件15上，光源17连接至数码相机16。

现有技术中，书籍抓取装置常使用电机输出动力，通过机械结构带动抓取机构中的夹板或机械手抓取书籍，使用这种抓取机构的缺点在于，抓取机构内部结构复杂，有较多精密的机械传动零件，损坏后维修困难；由于夹板和机械手的形状、活动范围固定，只能夹取某一类规格、重量的书籍，适用的范围较小；当书籍重量较重时，为了稳固地抓取、移动书籍，夹板和机械手需要对书籍施加较大压力，由于夹板和机械手与书籍的接触面积小，书籍受力过于集中，夹板和机械手与书籍的接触点压强较大，多次抓取后容易损伤书籍。

在该具体实施方式中，使用吸取模块吸取书籍。定位板3上设置多个螺纹孔，真空吸盘1与定位板3可以通过螺钉固定，真空发生器2可以通过螺钉固定在定位板3上，各真空吸盘1可以使用独立气管与真空发生器2连接，气管与真空发生器2或真空吸盘1可以通过可拆卸方式连接。真空发生器2或真空吸盘1损坏时，只需拆下气管并拆卸螺钉，即可更换，便于维护。真空吸盘1与书籍接触的面可以使用密封性好、柔软的橡胶等材料，真空吸盘1吸附书籍表面后，真空吸盘1表面的柔性材料会发生轻微的变形，使得真空吸盘1完全贴合书籍表面，避免真空吸盘1漏气导致书籍跌落，并且真空吸盘1表面为柔性材料，真空吸盘1与书籍的接触面各处受力均匀，避免书籍部分区域受力过大导致的书籍表面损坏。真空发生器2可以逐步提高真空吸盘1提供的吸力，保护书籍，提高装置安全性和可靠性。旋转气缸4和薄型气缸10使用压缩空气为动力，噪音小。

伸缩夹紧模块中，夹紧板5与旋转气缸4可以通过螺钉可拆卸式固定，更换不同尺寸的夹紧板5，伸缩夹紧模块即可适用不同规格的书籍，提高装置的通用性。成对的旋转气缸4对称地设置在旋转气缸安装板21两端，夹紧板5闲置时，旋转气缸4控制夹紧板5平行于基准板9朝基准板9两侧方向放置。旋转气缸4的可旋转角大于90°，使用过程中，旋转气缸4可以将夹紧板5旋转至吸取模块下方，用以承托书籍，因此夹紧板5表面可以设置为平整面，均匀分散压力，避免损坏书籍封面，提高装置安全性和可靠性。浮动接头11设置于基准板9和旋转气缸安装板21之间，浮动接头11靠近基准板9的一端与薄型气缸10的活塞相连接，浮动接头11另一端连接旋转气缸安装板21，浮动接头11与薄型气缸10、旋转气缸安装板21可以使用螺丝钉固定，便于拆卸和更换。使用过程中，薄型气缸10可以使用压缩空气控制，由于薄型气缸10与基准板9固定，升高薄型气缸10中的空气压力，薄型气缸10推动浮动接头11向下移动，旋转气缸安装板21即向下移动；降低薄型气缸10中的空气压力，则薄型气缸10拉动浮动接头11向上移动，旋转气缸安装板21即向上移动。外部控制系统通过电磁阀12控制薄型气缸10和旋转气缸4的运动，以调整夹紧板5的位置。

定位板3和基准板9上设置相配合的螺纹孔，使用螺钉将定位板3和基准板9固定，用以将吸取模块固定在伸缩夹紧模块上，基准板9上用以固定定位板3的螺纹孔可以设置在电磁阀12附近，吸取模块中的电线与电磁阀12的控制线距离近，可以汇总后一同连接至装置外，伸缩夹紧模块主体部分中仅有连接电磁阀12与旋转气缸4和薄型气缸10的电线，降低旋转气缸4和薄型气缸10活动过程中电线损坏的可能性，提高装置的安全性和可靠性。

安装法兰13上开有很多定位孔和螺纹孔，可以通过螺钉与其他的运动部件相连接，用作书籍抓取装置对外安装连接的总接口。使用安装法兰13上不同的定位孔和螺纹孔与外部设备连接，安装方式灵活，便于该书籍抓取装置安装在不同外部设备上，提高装置通用性。安装法兰13与连接板14通过螺钉固定，连接板14与伸缩夹紧模块通过螺钉固定，机器视觉模块与安装模块通过螺钉固定，便于拆卸，易于更换和维护。

折弯件15与安装模块、数码相机16，数码相机16与光源17间可以通过螺钉连接，便于拆卸。根据书籍规格、图书馆环境、书箱的高度、规格等数据，可以选择不同的折弯件15，用以调整数码相机16和光源17的位置和朝向。折弯件15一体化铸造，强度较高，折弯处的曲率半径小，所需空间少，提高空间利用率，减小装置整体体积。

在一种优选的实施方式中，如图1和图6所示，真空吸盘1沿圆周均匀分布，真空吸盘1的数量为3～8个。根据书籍的封面材质、重量、规格等数据，用户可以选择在定位板3上不同位置均匀设置不同个数的真空吸盘1，以适用不同类型的书籍，提高装置通用性。

在一种优选的实施方式中，如图2、图3、图4和图6所示，安装模块还包括：加强筋18和电线支架19，加强筋18设置于安装法兰13和连接板14之间，电线支架19安装在加强筋18上。加强筋18与安装法兰13和连接板14通过螺钉固定，加固连接板14和安装法兰13，分散连接板14与安装法兰13连接处的受力，根据书籍抓取装置的重量、书籍的重量等参数，可以选择不同规格的加强筋18，提高装置稳定性。电线支架19与加强筋18通过螺钉连接，电线支架19上设置圆孔，用于固定电磁阀12、机器视觉模块和吸取机构的供电、控制线，避免装置活动过程中损坏电线，延长装置寿命。

在一种优选的实施方式中，如图4、图5和图6所示，折弯件15连接至加强筋18。折弯件15可以与加强筋18使用螺钉连接固定，将机器视觉模块的重量通过加强筋18分散到连接板14和安装法兰13上，避免连接板14与安装法兰13连接处受力过大而形变或断裂，延长连接板14和安装法兰13的寿命。

在一种优选的实施方式中，如图5和图6所示，光源17为环形光源17，机器视觉模块还包括环形光源支架20，环形光源支架20固定在数码相机16上。使用环形光源17，提供足够的亮度，用以照明书籍特征，同时可以减少图片中的阴影，避免阴影对图像识别的影响，提高装置识别书籍的准确性。环形光源17的亮度可以调节，用户可以根据环境亮度等数据选择环形光源17的亮度，达到最佳照明效果的同时降低能耗。

在一种优选的实施方式中，如图2、图3和图6所示，一种书籍抓取装置，还包括中央处理器，中央处理器为plc或单片机，中央处理器连接至吸取模块、伸缩夹紧模块和机器视觉模块。用户可以在中央处理器中预先存储书籍图像识别方法、旋转气缸4与薄型气缸10控制参数等数据，实现装置自动完成书籍抓取、放回等动作。用户可以启动中央处理器，自动操作书籍抓取装置，也可以通过中央处理器实时操作，直接控制书籍抓取机构动作。中央处理器可以整合于书籍抓取装置中，与吸取模块、伸缩夹紧模块、安装模块和机器视觉模块直接通过电线相连，减少控制信息传递环节，中央处理器发出指令后，各模块可以及时响应，提高装置抓取效率和准确性。

在一种优选的实施方式中，中央处理器还包括无线通讯模块，无线通讯模块连接至云端服务器，云端服务器设有储存书籍信息的数据库。图书馆中书籍数量大，数据库需要存储大量的图书的封面图像、条形码等信息，因此可以设置云服务器用于存储书籍信息，简化书籍抓取装置结构，多个书籍抓取装置可以使用同一套数据库，降低用户管理、维护数据库的时间成本和人力成本。用户可以远程修改数据库，新增、删除或更新书籍信息，降低维护成本。

一种书籍抓取装置的控制方法，使用具有上述特点的书籍抓取装置，如图1、图2、图3、图5、图6、图7和图8所示，包括：步骤一：书籍抓取动作1.1启动机器视觉模块，打开光源17照亮目标书籍，数码相机16对目标书籍进行拍照，将照片在中央处理器中进行分析，获取图片中的目标书籍的信息，读取服务器中的数据库中储存的书籍信息，确定书籍位置；1.2启动吸取机构，启动真空发生器2，真空吸盘1产生真空负压，贴合并抓住目标书籍；1.3启动伸缩夹紧模块，电磁阀12控制旋转气缸4运动，打开夹紧板5，电磁阀12控制薄型气缸10做伸出运动，通过浮动接头11，带动旋转气缸安装板21一起伸出，伸出完成后，电磁阀12控制旋转气缸4进行闭合，闭合完成后，薄型气缸10缩回，直到夹紧板5与目标书籍接触并压紧书籍；1.4移动书籍至书籍位置；步骤二：书籍放回动作2.1启动伸缩夹紧模块，电磁阀12控制薄型气缸10伸出，使压紧板与目标书籍脱离，电磁阀12控制旋转气缸4运动，张开夹紧板5，电磁阀12控制薄型气缸10缩回，通过浮动接头11，带动旋转气缸安装板21一起缩回；2.2启动吸取机构，关闭真空发生器2，真空吸盘1不再产生真空负压，使真空吸盘1与目标书籍脱离；2.3启动机器视觉模块，判断是否已经完成放回，若否，回到步骤1.1；若是，结束。

步骤1.2中，真空负压的参数根据书籍重量、书籍封面材质、真空吸盘1数量、真空吸盘1的分布位置等数据决定，真空发生器2均匀分配各个真空吸盘1的真空度，避免部分真空吸盘1真空度过高造成书籍表面损坏。步骤1.3中，浮动接头11伸出的长度取决于书籍的厚度，确保夹紧板5闭合后位于书籍下方，避免夹紧板5从侧面损坏书籍。步骤1.4中，夹持装置夹持书籍完成后，由安装法兰13连接的外部设备整体移动书籍抓取装置，将书籍移动到目标位置。书籍抓取装置使用真空吸盘1、夹紧板5压紧书籍两种夹持方式，固持结束后再移动书籍。在中央处理器错误计算夹持参数，导致真空吸盘1吸力不足或夹紧板5压力不足时，两种夹持方式可以互相补充，避免书籍因夹持不牢从装置中掉落，提高装置安全性和可靠性。

书籍放回过程中，若在关闭真空发生器2后收回夹紧板5，由于夹紧板5处于书籍下方，收回过程中夹紧板5容易移动书籍，使书籍从书架上掉落。步骤二中，装置先收回夹紧板5，其次关闭真空发生器2。步骤2.2中，关闭真空发生器2后，真空吸盘1通过气管连通真空发生器2，从而连通大气，真空吸盘1中的气压恢复大气压，真空吸盘1与书籍间仅剩较小的摩擦力，减少书籍被装置移动的幅度，提高装置放置书籍的准确性。步骤2.3中，装置可以采集书籍图像，比对前述步骤1.4中的放置位置，或采集书籍以及书架图像，直接与数据库中存储的信息对比，或采用其他方式校对书籍位置。若书籍被放置在错误位置，或在步骤二中，书籍被真空吸盘1或夹紧板5移动偏离目标位置，装置自动再次进行步骤一以及步骤二，重新放置书籍，进一步提高装置放置书籍的准确性。

在一种优选的实施方式中，如图7所示，书籍信息包括：二维码和/或条形码、书籍名称、书籍编号和书籍位置。不同的书籍封面设计各有特点，机器视觉模块采集到的图书封面可能包含二维码、条形码、书籍名称、书籍编号等信息中的一项多项，因此数据库中存储的书籍信息范围广，机器视觉模块采集到书籍的正面封面、背面封面或书脊图片，都可以帮助中央处理器识别书籍，降低书籍识别要求，提高装置通用性，书籍识别更为智能。

在一种优选的实施方式中，如图8所示，步骤2.3还包括，拍摄目标书籍，读取服务器中的数据库中的书籍信息，核对该书籍信息与步骤1.1中的书籍信息是否吻合。若不吻合，即重新进入步骤一，从而纠正中央处理器对书籍的识别错误，提高装置的可靠性。

尽管本说明书较多地使用了真空吸盘1、真空发生器2、旋转气缸4、固定座6、导向轴7、直线轴承8、基准板9、薄型气缸10、浮动接头11、电磁阀12、安装法兰13、连接板14、加强筋18、电线支架19、折弯件15、数码相机16、环形光源支架20、环形光源17，等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

需要指出的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。