一种基于机器人的图书馆服务系统及方法与流程

本发明属于机器人领域，涉及机器人导航、图书定位、书籍存取机构的设计、数据挖掘、多机器人协同作业、局域网通信技术、手机app的设计等技术，尤其涉及一种基于机器人的图书馆服务系统及方法。

背景技术：

机器人作为一种高效的自动化设备，在汽车、机械、航天等现代制造业中已经发挥了巨大的作用。将机器人应用于图书馆的日常管理和服务，可以减轻当前图书馆人员劳动强度大、效率低下的问题。

现有的图书馆机器人系统，如自助图书馆的辅助机器人系统，自助型图书馆是面向少量读者的迷你型图书馆。图书的借阅和归还完全由读者完成，不需要人工服务，其书库由具有一定移动能力的小型机构构成，可独立实现图书的自动存取操作。但是这种图书馆机器人系统仅适用于少量的图书借阅，需要对存书机构有大幅度的修改，不适用于现有的普通图书馆。

机器人与立体仓库的结合应用系统，借鉴工业码垛机器人的操作特点，对书库进行立体化改建，利用变位机和码垛机器人共同完成图书的存取。但是高额的系统造价使得其难以在普通图书馆中广泛应用。

agv的图书搬运机器人系统，装备自动导引装置，可以将图书收纳箱自动装卸在固定的位置，在不改变图书馆书库空间架构的前提下，自动完成图书的搬运和放置等工作。但是该类机器人系统不能完成图书的自动上下架操作，图书的整理和上下架等后续工作仍需要人工完成。

总体来说，尽管近年来出现了一些应用于图书馆的机器人系统设计思路，但是目前尚无一套完备成熟的技术和装备可以在图书馆领域中推广。主要是因为具有一定自主能力的机器人馆员是一种高度复杂的智能机器人系统，其研究内容，不仅涉及图书馆自身的信息服务，还涉及导航控制、图像识别、人工智能、机械设计等多学科领域。

技术实现要素：

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于机器人的图书馆服务系统及方法

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于机器人的图书馆服务系统，包括：

上位机，获取读者在手机客户端上发出的指令信息；与服务型机器人通信，掌握各个服务型机器人的位置信息和工作状态信息，对服务型机器人进行工作调度；存储图书馆的室内地图、图书馆全部图书的信息、读者的借阅记录。

服务型机器人，依据上位机发出的指令，移动到读者旁边为读者服务，所述服务包括借书、销售饮料、咖啡点单、提供免费引用水等；

手机客户端，用于读者检索图书信息，预约图书，申请机器人服务等。

rfid电子标签，粘贴在每个书架的侧面，并植入相应书架的信息，用于图书馆地图的构建。

条形码，粘贴在每本书书脊的固定位置上，包含书籍的编号和位置信息，用于图书的具体定位。

所述的服务型机器人包括：

控制单元，用于与上位机及其他服务型设备通信，接收传感器单元的感知信息，控制执行机构运动。

人机交互界面，用于读者选择服务类别，提示操作步骤，依据读者的兴趣推送书籍。

传感器单元，用于感知机器人的外界环境。

执行机构，用于机器人的运动、图书的存取、饮料的销售。

所述的执行机构包括：

行走单元，采用步进电机与全向轮的搭配，用于机器人的行走。

书籍存取单元，用于图书的抓取和存放。

书籍指示单元，用于指示某一读者所借阅的图书；当该服务机器人的存书平台放有多位读者的借阅书籍时，通过扫描二维码确定该读者所借阅的书籍：当不同读者借阅的书籍放在同一层时，可用激光笔指示出来；当不同读者借阅的书籍分别放在不同层时，通过投影在指示平台上投射出该读者所借阅的图书在哪一层的信息；此外，还可以利用机器人自身的机械臂把对应读者所借阅的书籍取到指定的存书平台。

饮料销售单元，在机器人的下端有小型饮料自动贩卖机，用于读者自主购买饮料。

所述的书籍存取单元包括：

两个夹书手指，用于夹书。

拨书手指，用于将图书从一列书中拨取出来。

所述的传感器单元包括：

rfid射频感应单元，用于服务型机器人的位置定位。

超声波测距单元，在机器人的四个方位各安装两个超声波测距单元，用于机器人的避障和在行走过程中自身角度的调整。用于机器人避障时，如果机器人行进前方的超声波检测到的距离信号小于阈值，则机器人停下继续检测行进前方的障碍物距离，如果该距离不变，则判断为静止的障碍物，机器人绕过该障碍物继续前进，如果该距离改变，则判断障碍物为行走的人，机器人等待人离开一定距离后继续前进。用于机器人自身角度调整时，设机器人走到某一书架旁边时，机器人临近书架的一侧的两个超声波传感器的距离测量结果分别为l1和l2，机器人根据l1、l2的差值及该机器人临近书架的一侧的宽度l计算车身的倾角cosα＝(l2-l1)/l，根据α的大小控制机器人四个轮子转速，通过差速实现机器人的车身左右偏向调整。

摄像头单元，用于对环境的感知，辅助机器人导航；同时用于图书定位，即通过识别书脊上的条形码来确定某书架上的所需图书。

压力传感器，安装在书籍存取单元的拨书手指上，当拨书手指按压到直立于书架的书的上侧时，自动停止。

一种利用基于机器人的图书馆服务系统进行图书馆服务提供的方法，包括以下步骤：

(1)读者在手机客户端检索图书信息，预约图书；将自己在图书馆的座位信息发送给图书馆上位机，申请机器人服务。

(2)图书馆上位机整合各个读者的预约信息及申请机器人服务的信息，并根据各个服务型机器人的工作状态与位置信息来调度机器人工作。

(3)机器人根据上位机发出的指令将预约的图书从书架取出送到特定的预约书架等待读者来取，或者机器人根据上位机发出的指令移动到读者座位旁边提供服务。机器人提供的服务类型有图书借阅、销售饮料、咖啡点单、提供免费饮用水等。

(4)读者可在机器人的人机交互界面选择服务类别，若选择图书借阅服务则需要在机器人的借阅卡感应区刷图书借阅卡，以此来识别借阅人的信息，并输入需要借阅的图书名称或关键字，机器人会依据输入的关键字在图书馆的图书信息库和该读者的借阅记录库中进行数据挖掘，推送相关的图书信息供读者选择。若选择的是销售饮料服务，读者可依据机器人显示屏上的操作提示，在机器人下方自载的小型饮料自动贩卖机内投币或用手机客户端付款购买饮料。如需咖啡点单的服务，读者可在机器人的人机交互界面选择咖啡类别，并通过投币或者手机客户端付款，机器人会将读者的座位信息和购买的咖啡类别信息通过局域网传送给图书馆内销售咖啡的柜台的计算机内，由服务员制作咖啡并送达到读者座位。如需提供免费饮用水服务，则读者可以根据机器人显示屏上的提示自主在机器人自载的饮水机上取水。

(5)服务型机器人在借阅书的过程中依据目标书架的位置及图书馆的室内地图进行自主导航：机器人在获得需要借阅的图书信息后通过图书馆的图书信息库得到该图书所在书架的位置信息，机器人通过图书馆的室内地图进行路径规划，在机器人行驶过程中，机器人通过感应历经的书架旁边的rfid进行自身的定位和路径调整。

(6)服务型机器人在到达目标书架后进行图书定位和取书操作：机器人依据摄像头扫描每本书的条形码，根据条形码的编号与目标图书的匹配结果控制机器人移动，当定位到具体的图书时，拨书手指按压图书的上方，将图书拨出，然后，夹书手指将书夹出存放在图书存储机构中。

(7)当服务型机器人在一次取书过程中，取有多位读者的借阅书籍时，在到达某一位读者位置后，根据该位读者扫描二维码后的身份信息确定其所借阅的书籍：当不同读者借阅的书籍放在同一层时，可用激光笔指示出来；也可以将不同读者的借阅书籍分别放在不同层，通过投影在指示平台上投放信息；或者直接利用机器人自身的机械臂把对应读者所借阅的书籍取到指定的机器人存书平台。

本发明的有益效果是：本发明图书馆服务系统，采用rfid电子标签与射频感应器来实现图书馆室内地图的构建与机器人的位置定位，机器人根据图书馆地图和自身的位置实现主动导航，方便机器人直接行驶至图书所在书架。其存取书机械结构的巧妙设计，避免了制作“多指灵巧手”时要涉及的多维力传感器，使得造价低廉，控制更为方便。利用在书脊粘贴条形码，结合条形码识别器，方便图书定位的实现，相比较于直接通过识别书脊的内容来判别图书，更为简洁且识别效果更加准确。机器人依据图书馆的图书信息库和读者的借阅记录库进行数据挖掘，推送符合读者兴趣的图书，可以给读者带来更好的服务体验。服务型机器人除了基本的借阅书服务外，还可以提供销售饮料、咖啡点单、提供免费饮用水等服务，可以使读者在图书馆享受更加舒适的阅读环境。

附图说明

图1是本发明图书馆服务系统的功能模块图；

图2是本发明图书馆服务系统的工作流程图；

图3是本发明的服务型机器人自主导航至目标书架的流程图；

图4是本发明的服务型机器人图书定位与取书的流程图；

图5是适用于本发明图书馆服务系统的改装书架。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

图1展示了本发明图书馆服务系统的功能模块图。本发明提供的一种基于机器人的图书馆服务系统，包括：

上位机，获取读者在手机客户端上发出的指令信息；与服务型机器人通信，掌握各个服务型机器人的位置信息和工作状态信息，对服务型机器人进行工作调度；存储图书馆的室内地图、图书馆全部图书的信息(所有书籍的编号、位置等信息)、读者的借阅记录。室内地图根据rfid电子标签的分布构建。

服务型机器人，依据上位机发出的指令，移动到读者旁边为读者服务，所述服务包括借书、销售饮料、咖啡点单、提供免费引用水等；

手机客户端，用于读者检索图书信息，预约图书，申请机器人服务等。

rfid电子标签，粘贴在每个书架的侧面，并植入相应书架的信息，用于图书馆地图的构建。

条形码，粘贴在每本书书脊的固定位置上，包含书籍的编号和位置信息，用于图书的具体定位。

所述的服务型机器人包括：

控制单元，用于与上位机及其他服务型设备通信，接收传感器单元的感知信息，控制执行机构运动。

人机交互界面，用于读者选择服务类别，提示操作步骤，依据读者的兴趣推送书籍。

传感器单元，用于感知机器人的外界环境。

执行机构，用于机器人的运动、图书的存取、饮料的销售。

所述的执行机构包括：

行走单元，采用步进电机与全向轮的搭配，用于机器人的行走。

书籍存取单元，用于图书的抓取和存放。

书籍指示单元，用于指示某一读者所借阅的图书；当该服务机器人的存书平台放有多位读者的借阅书籍时，通过扫描二维码确定该读者所借阅的书籍：当不同读者借阅的书籍放在同一层时，可用激光笔指示出来；当不同读者借阅的书籍分别放在不同层时，通过投影在指示平台上投射出该读者所借阅的图书在哪一层的信息；此外，还可以利用机器人自身的机械臂把对应读者所借阅的书籍取到指定的存书平台。

饮料销售单元，在机器人的下端有小型饮料自动贩卖机，用于读者自主购买饮料。

所述的书籍存取单元包括：

两个夹书手指，用于夹书。

拨书手指，用于将图书从一列书中拨取出来。

所述的传感器单元包括：

rfid射频感应单元，用于服务型机器人的位置定位。

超声波测距单元，在机器人的四个方位各安装两个超声波测距单元，用于机器人的避障和在行走过程中自身角度的调整。用于机器人避障时，如果机器人行进前方的超声波检测到的距离信号小于阈值，则机器人停下继续检测行进前方的障碍物距离，如果该距离不变，则判断为静止的障碍物，机器人绕过该障碍物继续前进，如果该距离改变，则判断障碍物为行走的人，机器人等待人离开一定距离后继续前进。用于机器人自身角度调整时，设机器人走到某一书架旁边时，机器人临近书架的一侧的两个超声波传感器的距离测量结果分别为l1和l2，机器人根据l1、l2的差值及该机器人临近书架的一侧的宽度l计算车身的倾角cosα＝(l2-l1)/l，根据α的大小控制机器人四个轮子转速，通过差速实现机器人的车身左右偏向调整。

摄像头单元，用于对环境的感知，辅助机器人导航；同时用于图书定位，即通过识别书脊上的条形码来确定某书架上的所需图书。

压力传感器，安装在书籍存取单元的拨书手指上，当拨书手指按压到直立于书架的书的上侧时，自动停止。

上位机、服务型机器人与咖啡柜台的pc机连接在同一局域网中，通过无线彼此通信。

图2为本发明图书馆服务系统的工作流程图，具体工作流程描述如下：

(1)读者在手机客户端检索图书信息，预约图书；将自己在图书馆的座位信息发送给图书馆上位机，申请机器人服务。

(2)图书馆上位机整合各个读者的预约信息及申请机器人服务的信息，并根据各个服务型机器人的工作状态与位置信息来调度机器人工作。

(3)机器人根据上位机发出的指令将预约的图书从书架取出送到特定的预约书架等待读者来取，或者机器人根据上位机发出的指令移动到读者座位旁边提供服务。机器人提供的服务类型有图书借阅、销售饮料、咖啡点单、提供免费饮用水等。

(4)读者可在机器人的人机交互界面选择服务类别，若选择图书借阅服务则需要在机器人的借阅卡感应区刷图书借阅卡，以此来识别借阅人的信息，并输入需要借阅的图书名称或关键字，机器人会依据输入的关键字在图书馆的图书信息库和该读者的借阅记录库中进行数据挖掘，推送相关的图书信息供读者选择。若选择的是销售饮料服务，读者可依据机器人显示屏上的操作提示，在机器人下方自载的小型饮料自动贩卖机内投币或用手机客户端付款购买饮料。如需咖啡点单的服务，读者可在机器人的人机交互界面选择咖啡类别，并通过投币或者手机客户端付款，机器人会将读者的座位信息和购买的咖啡类别信息通过局域网传送给图书馆内销售咖啡的柜台的计算机内，由服务员制作咖啡并送达到读者座位。如需提供免费饮用水服务，则读者可以根据机器人显示屏上的提示自主在机器人自载的饮水机上取水。

(5)服务型机器人在借阅书的过程中会依据目标书架的位置及图书馆的室内地图进行自主导航，自主导航的流程图如图3所示。机器人在得到需要借阅的图书信息后通过图书馆的图书信息库得到该图书所在书架的位置信息，然后机器人通过图书馆的室内地图进行路径规划，设得到的路径为历经的书架编号顺序为a1,a2,…,an(an是目标书架的编号)。在机器人行驶过程中，机器人会通过感应历经的书架旁边的rfid，得到所历经的书架编号x，如果x是路径规划结果中的编号ai且i！＝n，则根据地图中ai与ai+1的方位关系控制机器人的行进方向，例如ai+1号书架在ai号书架的右侧则机器人在通过ai号书架后需要右转驶向ai+1号书架。如果x不在所规划的路径书架编号中，则机器人行走已偏出规划路径，通过比较得到地图中与x距离最相近的书架编号aj，机器人依据aj与x的方位关系控制行走方向行走至aj书架，然后继续按规划路径行进。如果x等于an则机器人已经到的目标书架。

(6)服务型机器人在行进过程中，如果行进前方的超声波检测到的距离信号小于阈值，则机器人停下继续检测行进前方的障碍物距离，如果该距离不变，则判断为静止的障碍物，机器人绕过该障碍物继续前进，如果该距离改变，则判断障碍物为行走的人，则机器人等待人离开一定距离后继续前进。当需要机器人调整自身角度时，设机器人走到某一书架旁边时，机器人临近书架的一侧的两个超声波传感器的距离测量结果分别为l1和l2，机器人根据l1、l2的差值及该机器人临近书架的一侧的宽度l计算车身的倾角cosα＝(l2-l1)/l，根据α的大小控制机器人四个轮子转速，通过差速实现机器人的车身左右偏向调整。

(7)服务型机器人在到达目标书架后进行图书定位和取书操作，流程图如图4所示。假设图书在书架摆放的前提是图书书脊的条形码编号是按照从底层到高层、从左到右的次序递增的。假设所需目标图书的条形码编号为b，目标书架an的底层起始图书编号为an_b1，k1到kn层存储图书的个数为c1到cn，机器人计算编号b所在的区间an_b1-1+k1*c1+...ki*ci～an_b1-1+k1*c1+...ki*ci+ki+1*ci+1则图书b在第i+1层，机器人将书籍存取单元和摄像头升到第i+1层的位置，从左到右依次扫描图书的条形码得到编号d，根据条形码的编号与目标图书的匹配结果控制机器人移动，当d＝b时则找到了目标图书，拨书手指按压图书的上方，将图书向后下方拨出。然后，夹书手指将书夹出存放在图书存储机构中。

(8)当服务型机器人在一次取书过程中，取有多位读者的借阅书籍时，在到达某一位读者位置后，根据该位读者扫描二维码后的身份信息确定其所借阅的书籍：当不同读者借阅的书籍放在同一层时，可用激光笔指示出来；也可以将不同读者的借阅书籍分别放在不同层，通过投影在指示平台上投放信息；或者直接利用机器人自身的机械臂把对应读者所借阅的书籍取到指定的机器人存书平台。

该图书馆服务系统的服务实现，还需要对书架进行修改，即如图5是改装之后的书架，在书架一侧加装弹簧和隔板，便于填充取书之后的空间。

实施例1

下面以一个提前预定图书进行借阅的学生为例，具体说明该图书馆服务系统。

该学生首先在手机客户端进行图书预约，客户端将该名学生的预约信息上传到图书馆的上位机，上位机对预约信息进行整理，调度服务型机器人。被调度的机器人获取预约图书，并将其放在特定的预约书架上，同时将预约成功的信息(包括预约书架号)通过客户端反馈给该学生。当该学生抵达图书馆后，找到预约书架(书架上装有刷卡器，可以识别个人借阅卡信息)，将借阅卡靠近感应区，即可完成本次借阅预约图书。

实施例2

下面以一个到该图书馆进行借阅的学生为例，具体说明该图书馆服务系统。

该学生到达图书馆后，会坐在等候区，如果需要机器人服务，则他只需要通过手机客户端扫描座椅旁边的二维码(该二维码记录有该座椅的位置信息)，将实时位置发送给图书馆上位机并申请机器人服务。此时，上位机会根据各个机器人的工作状态，调度处于空闲状态的机器人到达该学生所在位置。学生可以在机器人的触摸显示屏上选择借阅服务(服务类别包括借书、预览、购买饮料、咖啡或免费饮用水等)，根据触摸屏提示在刷卡区域刷图书借阅卡，然后将自己想借阅的图书名称或者关键字输入到机器人触摸屏上，机器人会依据输入的关键字在图书馆的图书信息库和该读者的借阅记录库中进行数据挖掘，推送相关的图书信息及符合读者兴趣的书籍供读者选择。学生选定所需借阅的图书后只需在座位处等待机器人将其所需书籍取回，在返回来的机器人的刷卡区域刷图书借阅卡即可完成取出机器人取来的图书。但是，该服务型机器人在本次取书过程中，取有多位读者的借阅书籍，在到达该学生位置后，该学生扫描二维码供机器人获取其身份信息并确定其所借阅的书籍，然后通过投影到平台上的信息，该学生便可迅速知道自己所借阅的书籍存放在哪一层的什么位置，然后取走他所借阅的书籍。同时，机器人还可以根据该学生的借阅记录库，分析他的读书兴趣，推送给他相关书籍及管内新引进的图书信息以供参考，该学生可以在推送中选择自己感兴趣的书籍进行借阅。

实施例3

下面以一个来该图书馆进行休息参观的游客及其朋友为例，具体说明该图书馆服务系统。

与实施例2类似，该游客申请了机器人服务，区别是该游客选择了购买饮料解暑，此时屏幕上显示图书馆所提供的各种饮料及价格供该游客选择(原理类似自动贩卖机)，完成购买后，机器人将回到等待区域等待上位机的再次调度。在等候区坐了一会，该游客的朋友匆匆赶来，却没有水杯，于是他申请机器人服务，选择免费饮用水服务，此时机器人将提供一次性纸杯与饮用水(类似机场的饮水处)。

本发明主要用到七项技术，分别为：机器人导航、图书定位、书籍存取机构的设计、数据挖掘、多机器人协同作业、局域网通信技术、手机app的设计等。其中，机器人导航的实现是通过构建图书馆的室内地图，机器人根据自身的定位与地图信息匹配结果驱动机器人的运动，实现机器人的自动驾驶。图书定位技术的实现方式是在每本书的书脊上粘贴条形码，机器人通过识别条形码来确定最终所要拾取的书籍。机器人书籍存取机构的实现，依赖于巧妙的机械设计。数据挖掘应用于机器人依据读者的借阅记录和该图书馆的图书信息进行相关书目的推送。多机器人协同作业是依靠图书馆的上位机统一调度实现。局域网通信技术应用于上位机与各个图书馆服务型机器人的通信，和机器人与相关服务设备的通信。手机app的设计是为了更好的服务读者，方便读者通过手机预约图书、申请机器人服务等。本发明服务型机器人对于目前已有的图书馆架构具有更好的适用性和实用性。