智慧图书馆中智能机器人的应用-实践与理论

2.3.2.1　自动盘点机器人

武汉大学图书馆2011年起应用条形码和可充消磁条，提供自助借还服务。为了提高服务效率，2017年启动了 RFID 智慧图书馆项目，为近 300 万册馆藏图书安装了 UHF RFID 标签，同时在书库的所有书架也安装了 UHF RFID 层架标，两者均为无源标签，符合 ISO 18000-6C 空中接口协议。在应用上，遵循高校图书馆 RFID 技术应用联盟制定的数据模型规范，平台通过SIP2 接口与图书馆集成系统 Aleph 500 对接，为各类自助借还终端、馆员工作站、盘点定位设备提供接入服务。鉴于传统方式难以及时、有效地满足大量馆藏的盘点、定位需求，武汉大学图书馆是中国国内首家大规模应用自动盘点机器人的图书馆，每天对总馆流通书库的七十多万册图书实现无人干预的全自动盘点、定位。该款自动盘点机器人由南京大学计算机科学与技术系教授陈力军团队开发，融合了 RFID 感知、计算机视觉与智能机器人等技术应用。图2-8 为自动盘点机器人和人工盘点车的外观。

图2-8　左：自动盘点机器人，右：人工盘点车

实现技术：机器人采用多天线、动态调节射频功率、多次读取的方式，减少距离、环境等因素对定位准确性的影响。在盘点过程中，RFID 阅读器采集RFID 标签的EPC 值“epc”、读取时间戳“t”、以及t 时刻对应的信号相位“θ”、RSSI 值“r”等变量。利用 RSSI 值随时间变化规律、相位双曲线拟合、采样数据训练分类等模型，根据获取到的变量求解出每一本图书的所在层架、左右排序和摆放状态。传统的RFID盘点需要首先扫描层架标，再扫描该层架的图书来建立图书和层架的绑定关系。自动盘点机器人通过首书定位和概率算法进行图书和层架自动关联，进一步提高了盘点效率。首先，机器人在移动的过程中采集图书索书号信息，通过索书号出现的概率构建索书号区间与图书位置计算模型，然后逐册比对图书与其上下左右相邻图书及背面图书的索书号，结合首书定位算法，判断该本图书索书号与其图书位置所属区间是否一致；若判断为错架图书，则计算出该本图书的正确架位，并将该正确架位作为图书初始位置，写入 RFID 应用平台数据库中。机器人后续的每一次盘点，会生成图书的盘点位置，也会被保存到 RFID 应用平台数据库中。无论是旧书定位、新书上架还是图书倒架，均可由机器人完成定位信息的采集和计算。

优缺点：与人工盘点相比，机器人盘点效率和定位准确率更高，有效解决了长期困扰图书馆管理者的图书盘点效率低、成效差、耗时耗力，读者无法及时、准确获取图书定位信息等问题；但其也存在一些不足：虽然图书定位准确率接近96%，但仍出现少数读取到背面图书的情况，定位算法需进一步优化；由于盘点定位数据的计算在云端服务器上进行，对网络连接性的依赖性较强。所使用的 UHF RFID 无源标签，其读取过程依赖于接收阅读器发出特定频率的射频信号，天线获得感应电流后，激活标签芯片并返回数据。UHF RFID 标签虽然可读取距离较远，但也更容易受金属对电磁波屏蔽、反射效应的影响。其中屏蔽效应直接影响对标签的读取率，如在人工盘点中，发现一些书籍因其为金属封面或紧靠书架钢质隔板，其标签很难被读取到；而反射效应则会造成读取过程中RSSI、相位等数据的异常，如在机器人自动盘点过程中，因金属反射造成的异常值影响了算法模型的正确求解，进而造成少数图书被错误地定位或排序。

2.3.2.2　移动搬运机器人

移动搬运机器人，即：Automated Guided Vehicle，简称AGV。当前最常见的应用如：AGV 搬运机器人或AGV 小车，主要功能和作用集中在自动物流搬转运，AGV 搬运机器人是通过特殊地标导航自动将物品运输至指定地点，最常见的引导方式为磁条引导，激光引导；目前最先进、扩展性最强的磁条引导是由米克力美科技开发的超高频RFID 引导。磁条引导是常用也是成本最低的方式，但是站点设置有一定的局限性以及对场地装修风格有一定影响；激光引导成本最高，对场地要求也比较高，所以一般不采用；RFID 引导成本适中，其优点是引导精度高，站点设置更方便可满足最复杂的站点布局，对场所整体装修环境无影响，其次RFID 的高安全性、稳定性也是磁条导航和激光导航方式所不具备的。

从引导方式来看，目前大部分采用的是以下三种技术：

电磁感应式：也就是我们最常见的磁条导航，通过在地面粘贴磁性胶带，AGV 自动搬运车经过时车底部装有电磁传感器会感应到地面磁条地标从而实现自动行驶运输货物，站点定义则依靠磁条极性的不同排列组合设置。

激光感应式：通过激光扫描器识别设置在其活动范围内的若干个标志来确定其坐标位置，从而引导AGV 运行。

RFID 感应式：通过RFID 标签和读取装备自动检测坐标位置，实现AGV 小车自动运行，站点定义通过芯片标签任意定义，即使最复杂的站点设置也能轻松完成。

随着自动化、计算机集成制造系统技术逐步发展，以及柔性制造系统、自动化立体仓库的广泛应用，AGV 作为联系和调节离散型物流管理系统使其作业连续化的必要自动化搬运装卸手段，其应用范围和技术水平得到了迅猛的发展。AGV 的优点如下：

自动化程度高——由计算机，电控设备，磁气感应sensor，激光反射板等控制。当某一环节需要搬运时，由工作人员向计算机终端输入相关信息，计算机终端再将信息发送到中央控制室，由专业的技术人员向计算机发出指令，在电控设备的合作下，这一指令最终被AGV 接受并执行搬运。

充电自动化——当AGV 小车的电量即将耗尽时，它会向系统发出请求指令，请求充电（一般技术人员会事先设置好一个值），在系统允许后自动到充电的地方“排队”充电。另外，AGV 小车的电池寿命很长（2年以上），并且每充电15 min 可工作4h 左右。

美观——提高观赏度，从而提高图书馆的形象。

安全性——人为驾驶的车辆，其行驶路径无法确知。而AGV 的导引路径却是非常明确的，因此大大提高了安全性。

成本控制——AGV 系统的资金投入是短期的，而员工的工资是长期的，还可能会随着通货膨胀而不断增加。

易维护——红外传感器和机械防撞可确保AGV 免遭碰撞，降低故障率。

可预测性——AGV 在行驶路径上遇到障碍物会自动停车，而人为驾驶的车辆因人的思想因素可能会有判断偏差。

降低产品损伤——可减少由于人工的不规范操作而造成的物品损坏。

改善物流管理——由于AGV 系统内在的智能控制，能够让图书摆放更加有序，图书馆更加整洁。

较小的场地要求——AGV 比传统的叉车需要的巷道宽度窄得多。同时，对于自由行驶的AGV 而言，还能够从传送带和其他移动设备上准确地装卸货物。

灵活性——AGV 系统允许最大限度地更改路径规划。

调度能力——由于AGV 系统的可靠性，使得AGV 系统具有非常优化的调度能力。

工艺流程——AGV 系统应该也必须是工艺流程中的一部分，它是把众多工艺连接在一起的纽带。

长距离运输——AGV 系统能够有效地进行点对点运输，尤其适用于长距离运输（大于60 米）。(www.xing528.com)

特殊工作环境——专用系统可在人员不便进入的环境下工作。

其次，在AGV 系统安装之前就必须考虑安全问题。目标是两个，一是防止车辆之间或者车辆与人员的碰撞，第二是当防撞系统故障时，主安全设备要立即使该车停止，等待人工干预再恢复。安全系统必须在系统安装的初期就要就位。

安全设备可以分为固定设备和移动设备。固定设备通常组成所谓系统级的部件。包括阻塞系统和设备的布局。移动设备包括车辆，必须遵循一系列的规则，如载重量、重心、车速等。在使用AGV 系统之前，用户必须对安全系统的使用进行培训。

交通控制与防撞系统种类很多，最简单的是车辆前加装防撞缓冲条，并使车速保持在某个特定值以下，一旦碰上，车辆就停止，直到阻力消失。另一种是区域阻塞，在导轨上分开不同的区域，车辆只有在下一个区域上没有车的时候，才能进入该区域。车辆传感器是通过导轨下的地感线圈来探测的。这种方式通常用可编程控制器来实现有关的逻辑控制。更先进的是计算机区域阻塞，与区域阻塞原理类似，但更复杂。计算机对所有车辆的位置进行监控，并对车辆之间的间隙进行监控。

空间的布局要考虑车辆通道的宽度，与人行通道的距离，到车间的设备的间距等。对车辆的检测要包括速度探测、载重探测，另外，还要防止行人受伤。有关的光学传感和超声波传感器可以用来对车辆间距进行探测。

图2-9　移动搬运机器人（AGV）

2.3.2.3　扫地机器人

扫地机器人是智能服务机器人，能凭借一定的人工智能，自动在房间内完成地板清理工作。一般采用刷扫和真空方式，将地面杂物吸纳进入自身的垃圾收纳盒，从而完成地面清理的功能。一般来说，将完成清扫、吸尘、擦地工作的机器人，也统一归为扫地机器人。扫地机器人的发展方向，将是更加高级的人工智能带来的更高的清扫效果、更高的清扫效率、更大的清扫面积。扫地机器人对环境的识别主要包含几个方面：

对房间大小的整体记录与扫描。通过对环境的熟悉，扫地机器人的微电脑会在内部形成房间的定置图，房间有多大、房间的家具如何摆放、房间中哪些地方是不能去打扫的等，这一系列的空间扫描结果都会存储在扫地机的微电脑里，然后通过天花板卫星定位系统，来根据当前的位置，制定相应的工作计划。

对地面垃圾的识别。扫地机器人通过红外感应，识别地板上垃圾的种类，然后决定是用吸、扫或是用擦的方式进行清理。目前的扫地机器人在这一点上还只能做到识别有没有垃圾，无法分辩种类，在清扫的方式上也比较单一，这是扫地机器人今后要解决的难题。

扫地机器人可能会内置很多种清洁方式，比如直线型、沿边打扫型、螺旋型、交叉打扫、重点打扫等，但针对不同的垃圾种类用哪种方式就需要微电脑来决定。一般来说，微电脑会根据感应到的垃圾种类，垃圾的数量等来决定需要的清洁方式。既然叫作机器人，那么它的一个重要的功能就是人机交互，不过这个功能不是很成熟，所以很少应用到扫地机器人中去。不过，这个功能将是以后扫地机器人能否称之为机器人的关键。

机器人的清洁系统分以下几种：

单吸口式。单吸入式的清洁方式对地面的浮灰有用，但对桌子下面久积的灰及静电吸附的灰尘清洁效果不理想（设计相对简单只有一个吸入口）。

中刷对夹式。它对大的颗粒物及地毯清洁效果较好，但对地面微尘处理稍差，较适用于欧洲全地毯的家居环境。对亚州市场的大理石地板及木地板微尘清理较差（清扫方式主要通过一个胶刷，一个毛刷相对旋转夹起垃圾）。

升降V 刷式。以台湾机型为代表，其采用升降V 刷浮动清洁，可以更好地将扫刷系统贴合地面环境，静电吸附灰尘清洁更加到位（整个V 刷系统可以自动升降，并在三角区域形成真空负压）。

机器人的侦测系统主要有以下两种：

红外线传感。红外线传输距离远，但对使用环境有相当高的要求，当遇上浅色或是深色的家居物品它无法反射回来，会造成机器与家居物品发生碰撞。时间一久，家居物品的底部会被其撞出斑斑点点的痕迹。

超声波仿生技术。采用超声波仿生技术，类似鲸鱼、蝙蝠，采用声波来侦测、判断家居物品及空间方位，灵敏度高，但技术成本高。在航空工业上都有系统的运用。

使用注意事项：不要在潮湿的环境使用，以免电机受潮发生短路起火。如果不是干湿两用的扫地机器人千万不要吸水；不要让扫地机器人吸入火柴、烟头等易燃物品；使用时间不宜过长，如果机身过热，应该停止一段时间再使用，防止电机过热而烧毁；严禁在易燃易爆的危险场合使用扫地机器人，以免引起火灾爆炸事故；扫地机器人每次使用完毕，要将电源线从插座上拔下，将扫地机器人整理好，收藏在干燥的地方。

图2-10　扫地机器人

2.3.2.4　智能服务机器人

智能服务机器人是在非结构环境下为人类提供必要服务的多种高技术集成的智能化装备。智能服务机器人技术集机械、电子、材料、计算机、传感器、控制等多门学科于一体，是国家高科技实力和发展水平的重要标志，目前国际智能服务机器人研究主要集中在德国、日本等国家，并成功地被应用于各个行业中，中国近些年在智能服务机器人研究方面也取得很多进展，很多机器人研发公司将研究重点转向智能服务机器人开发，如新松机器人自动化公司在智能服务机器人研究领域已经取得很多成就，目前已经开发出三代智能服务机器人。

图2-11　智能服务机器人

智能服务机器人在智慧图书馆中主要用于读者咨询、路径引导等服务，也可以进行某些读者自助服务，如打印、借还等。