一种经济高效的图书传递自动化设计新方案

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　　【摘要】本文结合我国实际情况，提出了一种图书资料自动传递服务系统设计的新方案。其特点：自动传递图书的机器并非高新智能化机器人，而是由简单的自带动力可移式机械自动夹具、触碰电子开关和电脑控制的轨道搬道叉系统负责共同完成，因该系统无需图像识别技术和高智能化设计，故大大简化了设计，降低了成本。
　　【关键词】移动式自动夹具  轨道系统  自动化
　　 一、当今自助图书馆系统及其问题
　　2002年，美国犹他州J.Willard Marriott自助图书馆实现是借助码垛机和机器人共同完成的。由码垛机从立体仓库中取出图书，再由移动机器人将其送到借书口。缺点：造价高，仅机器人系统就高达1200万美元。这种ARC系统还存在一旦自动化系统发生故障，则整个书库无法运行。
　　德国洪堡大学图书馆自动化实现，图书的传递是直接使用搬运机器人完成的。机器人在总服务台与各功能区之间移动，将图书按照分类搬运到指定位置。特色：机器人的上部设有导轨，可以将收集箱自动卸在固定的位置上。导航是依靠埋设在地面上的磁导引线实现的。缺点：它不能完成图书的自动上下架操作。
　　2002年，美国约翰·霍普金斯大学通过推了图书馆机器人实验装置（CAPM）来实现自动化。它移动路径和定位是依靠存储在机器人主控制器中的电子地图来实现的。由于存在不足，在此基础上，新加坡国立大于当年研究出基于RFID定位技术的机器人，同时增加了放置图书的托盘和改换新型书架与之配合。新型书架装有若干个有托盘的储物柜，图书放置在固定规格的托盘上。由于整个系统改造成本过高，因而没有得到大范围推广。2003 年，西班牙卡斯捷罗大学推出类似的图书自动存取机器人，又作了改进，其优点：现有书架不需要做大的改动。缺点：机器人更加复杂，造价过高。
　　在我国，2007年12月，东莞图书馆推出了国内首台迷你型自助图书馆，这也是当今国内最先进的自助式图书馆或说图书自动借还服务机，它兼容条形码和 RFID（Radio Frequency Identification，无线射频识别）技术，虽说实现了图书自动外借、还书自动归架功能，性能还不错，遗憾的是，它只能容纳 500 册左右的图书，而且只有在外配人工流动服务车与实体图书馆不断进行图书交换，售价较高，不大实用，仅此自动化书架，一种技术的象征。
　　纵观以上各国先进设计方案，不难看出，国际上先进的自助图书馆系统，主要还是采用独立机器人技术方案，靠它独立完成自动化借还书刊的操作，不足的是，机器人制造复杂，上下架抓取图书动作是变化的，使用图像识别完成这样的工作成本高许多。据了解，截至目前，还没有很成熟的技术和装备在实体真实图书馆自动化中得到广泛应用。其原因主要还是图书馆自动存取操作量较大，涉及到的技术问题多，要想降低制作成本不容易，所以传统模式难以推广。
　　二、系统新设计方案
　　（一）系统总体设计思路：
　　图书馆自动完成借还书（自动上下架）系统基本设计思路：其硬件主要由两个部分组成，移动式自动夹具和轨道控制系统。基本运作过程：以借书为例（还归则相反）。系统读取读者在自助借还书机终端输入的图书信息资料后，将自动在馆内所藏纸质图书文献资料数据库中搜索，在找到相关图书信息记录后，即可读取其存放的物理地址，以及获得该书的轨道路径信息，其后，系统启动电脑控制的轨道系统，发出无线电信号，由此形成从借书处到达该书位置的唯一的通道，即通往该处的轨道被打开（其余处在关闭状态）。轨道的岔路口由轨道口上安装的搬道叉机构实现，这个机构可接受无线电信号，只有搬道与不搬两个动作二选一，这样就简化了操作和控制过程的设计。移动式自动夹具安装在轨道上，可在轨道上运行，负责传送读者所需要的图书，有独立前行的动力（自带电池驱动），能沿轨道行走，方向完全由轨道控制的，到达指定位置停车，是通过碰到轨道上的滑块触碰开关实现的，同时自动启动夹具取书操作，完成的是一种固定动作，即准确抓取或归还读者所需图书，当动作完成，触碰开关发出信号，轨道系统上的滑块放行，移动式夹具将继续向前行走，也就是进入返程状态，设计行走的轨道是单行线，循环线，由此移动式夹具最终将图书传送到服务前台交读者。归还图书上架原理大致相同。对远程读者，解决的基本思路是：再借鉴电子商务快递运作模式，通过Internet网上借还操作平台，直接与快递公司联网的合作，实现纸质文献资料的远程自助借还书服務。
　　我们这里构思设计的系统，实际上由四大部分组成：
　　（1）自助借还书机。它是读者与图书馆服务系统交流信息的一个实体电脑操作平台，与当前某些图书馆使用的自助借还书机外观上大致相同。不同的是，它左右连接有传送轨道，有启动通往该书存放位置的轨道系统开关，开通出一条直达存放该书位置的唯一轨道。
　　（2）移动式自动夹具。传统设计，这部分常称之为机器人。这里设计相对简单许多，并非机器人，它是由图书运输小车和自动式机械夹具组成的一个装置，一种机械机构，没有智能，是运送图书的载体，但自带动力，可通过其上方安装的碰撞开关，完成固定的机械动作，实现取下和放回操作。
　　（3）轨道系统。它是运输图书移动式自动夹具行驶的轨道。和平时看到轨道不同的是，它不仅是航线，是引领小车到达指定位的位置通道。通道的生成，由各路口上安装的搬道叉决定。搬道信息是电脑系统发出的无线电信息控制，这些信息来自于馆藏图书数据中，当需要的书一旦被确定，各道口信息其实也被唯一确定了。
　　（4）多媒体模拟演示系统。这是一种模拟仿真的软件系统，也是本设计构思的一大特色，启用的目的，为的是让读者能在机器检索过程中有身临其境之感，虚拟化更贴近生活。
　　下面就整个系统设计要点分别阐述我们这些设计中的主要思路和其中的一些具体做法。
　　（二）自助借还机系统设计方案： 　　这里所讲的自助借还书机，是指图书纸质文献自动借还系统的服务电脑终端操作机，是读者与系统对话的操作平台。由一台普通电脑的终端（用来检索查寻输入和反馈显示信息），一个射频卡感应器或扫描仪（用于读取读者借阅卡信息），一台小型打印机（给读者提供借还清单），和一个拥有“投取书刊口”，后方连接有一条专用导轨，有一出一进的循环线，上面有一个可移动式机械夹具共同组成的装置。借书时，读者只需将借阅卡放入射频卡感应器上感应或扫描仪上扫描一下，让电脑读取借阅卡中信息，验证读者身份，其后，读者就可在电脑显示屏上看到馆藏相关提示信息，读者可根据需要，在电脑上选择任何一种排架法，检索自己所需文献（图书），按下确定按钮，当该书信息出现后，表明检索成功，此后电脑系统启动移动式自动夹具，以及轨道控制系统（电脑开始向各轨道路口搬道叉及滑块发出信号）和运行多媒体动画模拟演示系统。这时电脑显示屏画面将以三维动画形式展示出整个物理检索全过程。动画与移动式自动夹具实际行走经过的情况大致基本相同。为节省资金，我们也可在移动式自动夹具上安装摄像头，把一路经过的情况反馈显示到电脑显示屏上，让读者看到移动式自动夹具行走过程中看到的书库及架位情况。若研发经费紧，多媒体动画模拟演示系统则可省去，用摄像头传递的视频信号取代。
　　图书归还，即图书上架，其原理与借书（下架）基本相同，读者只要将要归还的书刊按要求投入到“投取书刊口”，当扫描仪扫描到书上提供的计算机条形码后，则自动修改相应数据库中数据，并打印出归还信息清单到读者，打开通往该书存放位置的唯一通道。
　　（三）移动式自动夹具设计方案
　　这里所讲的移动式自动夹具，它是由动力运送小车，夹具（包含挂钩的机械式机构）等配件所组成的装置。它可以有多个行驶轮，比如：前面轮起支撑运输作用，卡在其行驶的工字型轨道上不脱轨。后轮子为动力轮，它会根据碰撞开关，即当遇到有一定压力的接触或无压力下，会自动与轨道分离或接触，实现不断电情况下完成停车和行驶动作。（注：借或还任何一本书都只有维一条行驶通道，图书存放地址决定，由此，搬道方向二选一也是明确的）。夹具上的取放图书的挂钩机构无需智能化图像识别技术，因为每本书的存放位置是固定的，夹具由滑块精确定位停车。故它的上下架动作是固定的，使用现有电动机旋转动力，通过曲柄滑块机构来实现。为保证夹具抓取的上架下动作准确，我们对书刊摆放要求是：标准化、规范化，即位置必须是相对固定的，其措施是，每本书都配有书套，取、还图书时，是连同书套一起的。
　　移动式自动夹具行驶路线，基本上要走四段路，过三个路口。第一段是从借书处到达书库指定楼层，在选择不同楼层时出现一个路口分支，轨道系统有一次轨道搬道决定方向。第二段是，到达指定书库书第一书架底端，这时开始出现第二个路口分支，搬道决定是继续向前找书架，还是开始往上爬行到达指定书架层。第三段是行驶到达指定书架层时，有一次轨道搬道，决定继续上爬找到书架层，还是开始水平移动寻书。第四段路是水平运动寻书，它的停车（定位）由该轨道段上安装的滑块位置决定，而滑块位置又是由电脑系统读取到的该书位置信息相应字段后，发出的信号确定的。这个滑块定位技术，实际上是十分成熟的技术，有现成的可用，如：当前无人机定位技术的应用，网络定位技术应用，均可实现。
　　这里要说明的是，移动式自动夹具还书（上架），其动作也是固定的。如何让夹具判断是执行上架还是下架动作，以可以移动式自动夹具是否是空载为标准，若为空车，即夹具放书触碰开关不受压，到达指定位置是下架操作，否则是上架动作，而这两个动作正好是相对的，由上安装的电机正反转决定。移动式自动夹具和我们平时看到的火车一样，只管顺轨道向前行驶，无需智能管理，只有遇到滑块阻挡，即到达指定位置，因触碰到开关自动停车，启动夹具对图书的上下架操作是连贯的动作。
　　（四）轨道系统设计方案
　　轨道系统是引领移动式自动夹具到达指定位的指挥系统，也是图书传送的导航路线。为提高工作效率，轨道上同时可有多台这样的移动式自动夹具工作。为防止发生堵车现象，设计采用单行线方案、循环线方案设计，前车通过搬道叉后，搬道机构会恢复默认状态，以便后续移动式自动夹具不受前车影响。移动式自动夹具只有碰到滑块阻挡才会启动上下架操作，若碰到前车受阻，仅此停车（识别是通过不同位置的碰撞开关确定的）。轨道设计的另一特点是，它的起点与终点分别与自助借还书机左右口相连。轨道系统的任务是引领小车到达指定所需要书摆放的位置。其轨道布局：我们参考做法是：沿着所有排书架每层底边布轨。这里讲的书架可以是指书架联合体，即，同一排所有书架左右相连的，它可以很长，可以从书库的最左端一直排到最右端，也可以转弯，轨道可以在不同排书架的同一层上设计成S形状，逻辑上把各排书架连为一体。当取还书动作完成后，小车顺轨道继续前进，由于是循环线，故自动进入返程状态。这个返回轨道设计与进入轨道大致相同，相对对称，相当于一个在左，一个在右。轨道系统得到电脑系统读取的信息指令后，连接书库的轨道上变换轨道的搬道叉会根据该书位置在数据库中提供的信息做出相对应变道搬道操作，这个操作控制同样有现成技术可用，如当今远程摇控玩具小汽车的无线电控制技术，仅此开关，0/1二选一动作。
　　三、结束语
　　通常需要智能高科技机器人才能完成的导航搬运工作，我们的方案则是通过搬运图书夹具和轨道自动搬道叉变道实现，而所有搬道信息，包括滑块到达指定位控制夹具停车，又都是通过计算机系统事先从已经存放在图书馆建立的数据库中相应书对应字段中获取的，通过电脑发出远程无线电摇控信号，指挥轨道上丁字路口的搬道叉，用简单的0/1动作变道指挥，实现夹具导航。滑块定位，由此取代传统的运送机器人智能化寻找，也就是说，只要系统读取到该书的信息，位置就被确定了，移动式自动夹具行走的轨道路线就被唯一确定了。移动式夹具只管往前行驶，到达指定位置会有一个滑块阻挡，这个滑块负责在书架存放该本书位置起定位作用。因为是单行线，循环线设计，所以没有倒车问题和拥堵问题发生，即使有堵车，也是暂时性的。通过轨道系统实现自动化，这是本系统与国内外自助图书馆系统在实现同一功能上在设计上的最大不同之处。由于实现方案相对简单，只是设计思路上的创新，无需要新技术研发，运用现有已成熟的技术，这就大大降低了制造成本，是个完全可行的经济方案，使大規模推广普及成为了可能。
　　参考文献：
　　[1]方建军.张晔.图书馆图书自动存取机器人的研究与应用[J].图书馆建设，2012，（7）.
　　[2]郑晓霞.高校图书馆自助借还服务模式探讨[J].中国高新技术企业，2009，（6）.
　　[3]何跃兵.探讨图书馆机械自动化[J].兰台世界，2014-01-12.
　　基金项目：2019年江西省文化艺术科学规划项目（项目编号：YG2018027）。
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