RFID 图书盘点智能机器人的设计与开发

RFID 作为一种无线射频技术，可以无需机械及光学接触，即可通过无线电讯号对需要识别特定目标进行数据的读写，并且具有快速、安全、重复使用等诸多优势，在当今备受许多行业的青睐。到2016年RFID技术在我国图书馆实践运行使用已经整整十年时间，从当初零星之火到如今在图书馆业内的广泛应用，可以说RFID 技术在图书馆的深入应用，促进了图书馆服务模式、管理平台、服务内容等多方面的发展和变革，不仅使传统的流通方式发生了很大的变化，更拓展了服务的空间和时间。对图书馆员来说，使用RFID技术不仅减轻了工作的难度，还提高了服务的效能。图书馆与RIFD技术的结合无疑给读者及图书馆员都带来了很大的便利性，在未来RFID技术必定在智慧图书馆的发展中继续扮演着重要的角色。

一、 图书馆盘点图书工作现状与局限

图书盘点作为图书馆的一项基础性工作，对图书馆员了解本馆纸质资源的情况非常重要。通过及时对在架图书进行盘点，可以准确掌握到图书的数量、位置等情况，既让图书馆员及时了解图书在架情况，又方便了读者的图书查询。目前盘点图书的方式主要有人工清点、条码扫描盘点、RFID设备盘点等。

以南京图书馆为例，开架外借图书分布于两个楼层，在架流通图书约90万册，全年借还总流通量超过300万册。面对巨大的流通量，如何保证流通资源的准确性，提高图书流通环节的效率，这些问题都是靠图书盘点工作来实现。作为读者服务中重要的环节，从早期的人工清点，到现在使用RFID手持设备盘点，使得图书馆员以及读者能够准确地了解到纸质资源的情况，提高了图书馆读者服务工作的质量。

现阶段，使用RFID 技术盘点图书方式越来越多地被图书馆所采用，因为RFID 技术盘点图书不仅完成了之前可能需要花费几倍时间的工作量，同时还增加了盘点图书的准确性，受到了大多数图书馆员的偏爱。

以国家图书馆中文外借室为例，RFID 图书盘点工作分为期末盘点与循环盘点两种方式。期末盘点是在闭室情况下进行，数据有延时性但准确度较高；循环盘点是通过固定周期在开放时间进行，数据及时性高，但循环周期间隔时间决定着工作的强度。由于可以及时了解在架图书的当前信息，循环盘点方法在图书馆也被广泛采用。通过压缩采集数据周期的时间间隔，保证了读者能够在借阅时获取图书的准确位置，同时能让图书馆员了解掌握图书的完整信息。有的图书馆使用3D呈现的方式，让读者能够在网页上很直观地看到图书所在的架位，极大地方便了读者对纸质资源的获取。

然而，由于图书盘点工作的实施主体依然是图书馆员，RFID只是实现盘点工作的辅助性技术手段，因此我们认为这依然没有脱离人工盘点的传统方式。为了获取到图书在架信息的准确性，往往就要加大盘点的频率，图书馆员需要花费大量的时间来回奔波于书架之间，无形之中增加了他们的基础劳动时间，从而减少了对读者直接服务的时间。

二、RFID技术与图书盘点智能机器人结合可能性

智慧型图书馆是图书馆事业发展的主流方向。智慧型图书馆的重要表现形式之一就是图书馆员知识专题化服务程度。图书馆员作为读者与图书之间的桥梁，如果能将RFID技术与智能机器人技术相结合，设计出一种以RFID为核心技术的图书盘点智能机器人，其特点是不受时间、空间等因素影响，可在开架环境中通过图书馆员下达的盘点指令，自动的对目标书架进行图书盘点工作。将极大地改变图书盘点工作现状。用智能机器人代替传统人工盘点工作，就能突破图书馆服务方法的单一模式，促进图书馆服务方式的转变，创造服务形式的多元化。

三、RFID图书盘点智能机器人设计需求与实现条件

设计需求：机器人应用的范围应该包括开架与闭架两种，开架方式下进行图书盘点遇到的情况相比较闭架时应该复杂了许多，本文讨论的是开架方式下设备自动实现图书盘点。设计需求包括以下几方面内容：

机器人的自检功能。在开始一系列工作之前，必须要完成设备的自检工作，以保证各个部件是否能正常运转，以及电池供电等方面能否支撑设备完成本次指令。

获取当前图书架位的实际情况拓扑。对当前书架的架位信息可以规划在系统中，这样可以使得设备在运行前能够很清楚地对当前架位信息有客观的判断分析。

机器人的定位及轨迹行进路线。首先需要对整个开架环境的地图进行有效的构建，并规划好合理的行进路线，在设备偏离位置时可以自动回到预设的线路上。如果在行进的线路上遇到障碍物，应稍作等待后再根据实际情况做新的线路规划。

使用RFID技术对在架图书进行盘点，盘点图书时机械臂的前后左右上下3轴方向移动，盘点图书的机械臂应具备3轴方向的移动功能，确保图书盘点过程中没有遗漏。完成盘点任务后形成情况汇总，在对本次盘点操作结束后，需要对本次盘点的过程做一个情况汇总并呈现给图书馆员。

运行逻辑：机器人运行系统逻辑如图1 所示，在图书馆员下达图书盘点的指令后，系统自动开始进入工作模式，机器人首先判断自身电源系统能否完成该项工作，以及判断各设备有无故障，如果系统保持正常，设备将按照规划线路对书架图书进行盘点，如遇到读者或其他障碍时，设备会自动停止等待。如遇到偏离线路时，根据预设线路中的信号源，归位到最近的信号源重新进入规划线路，盘点书架时根据图像识别系统，先确定有无书架标签，如果找到书架标签时，对该书架进行盘点。等完整盘点动作结束后，将对这次盘点工作进行汇总呈现给图书馆员，并且回到充电位置待命。

图1

系统构成：如图2 所示，整个系统由供电系统、图像感知系统、导航定位系统、机械驱动系统、RFID 盘点系统这五大子系统组成。

图2

设备设计自主穿梭于各个书架之间进行图书盘点，供电系统主要由可充电蓄电池组成。图像感知系统包括视觉图像分析、红外测距，用于观察设备在行进过程中是否遇到障碍物，设备是否在轨道中运行以及观察书架号，用来确定自身实际位置。导航定位系统由无线接收器、地图构建系统、偏移归位系统组成，在系统初始化阶段需要对整个室内环境进行地图初始化构建，并规划好行进的线路，在偏离轨道时系统需要通过无线接收器找到最近的初始化点位置，重新进入轨道行进。机械驱动系统包括电机马达系统、机械臂系统等组成，电机马达系统用于设备的行进及停止，机械臂系统用于到达盘点区域后设备通过机械臂的移动，带动RFID设备盘点图书。RFID盘点系统用于对盘点图书的统计、录入、汇总等，将完整的信息呈现出来，使图书馆员直观地看到当前图书在架情况。

四、RFID图书盘点智能机器人结构设计及关键技术

结构设计：RFID图书盘点机器人的二维结构设计如图3所示，该机器人由硬件和软件两部分组成，硬件包括锂电池组直流供电、马达驱动制动装置、机械臂滑动装置、距离和图像感应设备主机硬件及显示屏、RFID标签识别等设备组成。软件包括各个硬件的控制程序，使设备能够按照程序化方式在规划线路中运行，如遇到偏离轨道及障碍物等情况，可自行判断重新进行图书盘点。

RFID 图书盘点机器人的二维结构设计如图3所示，该机器人由硬件和软件两部分组成，硬件包括锂电池组直流供电、马达驱动制动装置、机械臂滑动装置、距离和图像感应设备主机硬件及显示屏、RFID标签识别等设备组成。软件包括各个硬件的控制程序，使设备能够按照程序化方式在规划线路中运行，如遇到偏离轨道及障碍物等情况，可自行判断重新进行图书盘点。

图3

关键技术：传统构建地图的方式有度量、拓扑两种方式。其中度量地图又分为特征地图与栅格地图，特征地图指的是机器人通过传感器对周围的环境进行特征感知，从而达到精确定位的效果，由于对设备观测信息等要求较高，适用于高度复杂环境地图构建。栅格地图则是整个环境地图使用栅格方式分割成很小的地图块，对每个小块用0 和1 的方式区分识别是障碍物还是可移动区域，该方式创建简单易于维护，较常在复杂度较低的环境中使用。拓扑地图则是使用区块的方式将环境中关键区域进行分割，而区域间的边则表示关系连接，如在图书馆开架环境中书架区域、阅览区域可分别作为两个不同区域，拓扑地图能够很容易地划分各个区域并易于拓展，但是在区域内部较难完成精确定位。

机器人主要工作区域在图书馆书架区，该区域位置相对固定，与阅览区又有明确的分割，所以本文采用了拓扑地图+ 轨迹色带标识的方式对机器人的行进路线进行规划，使用色带标识的方式，增加了机器人在行进区域中定位的准确性。机器人行进导航定位路线见图4。

图4

我们将整个区域划分为两部分，一是书架区域，除此之外的规划为阅览区域，机器人在书架区域内通过在底部的视觉系统找到按照地上事先铺设的移动轨迹标识，根据轨迹色带标识的路线来行进盘点工作，在书架标签区域做预设轨道标识，机器人行进到此区域即停止运行开始盘点该架位图书。如果机器人当前处于阅览区域时，则通过搜寻失位信号源来重新进入预设轨道区域，继续进行上一次盘点工作。

如图5 所示，机器人机械臂分为X、Y、Z 轴三个方向，X 轴表示书架的宽度，Y 轴表示书架的高度，Z轴表示需要盘点图书或书架标签的深度。当机器人沿轨迹色带标识行进到指定架位时，需要首先通过视觉系统获取图像信息，确定书架标签的个数，RFID盘点沿机械臂Y 轴移动到需要盘点的书架标签位置，对书架标签先进行扫描确认，然后根据图像识别信息，获取到该层图书书脊的位置，确定机械臂Z 轴的深度，对该层图书进行扫描盘点。

图5

一般情况下书架的层数以及每层书架的宽度均是固定的，可以通过预设宽度及高度值来确定机械臂移动的距离，需要注意的是书籍的摆放位置可能深度不一致，所以通过图像获取书脊位置并且通过距离感应获取到需要盘点图书的深度非常重要，尽量保持RFID盘点设备靠近书脊的位置，可以有效避免在盘点过程中信号疏漏导致的盘点不准确。图书书脊的识别可以通过书脊下方的索引号获得。在架图书的书脊下部位置均贴有索书号。通过这一明显特征，为图像处理时提供了便利。通过灰度、二值化等算法后，可以通过索书号清晰的辨别出书脊数量位置等信息，为距离感知提供了很好的依据。

图书盘点系统由RFID读写器对图书及书架的标签进行数据读取，并将数据存入数据库，前端结合业务系统数据将架位、图书信息进行展示，其系统结构如图6 所示。标签识别技术现在已经比较成熟，通过RFID读写器对图书及书架的RFID标签进行识别，读取到该书或书架的条码信息。

图6

盘点系统设计分为展示层、应用层、数据库、基础平台四个方面，通过前端RFID读写器获取到条码号，将数据存入架位数据库中，并形成完整的图书架位信息。其中应用层设计分为采集、整理、更新、剔除等四个功能模块，为图书馆员提供完整的图书盘点工作流程，满足多种业务需求。通过与业务数据库相关联获取到图书的完整信息，最终在前端展示平台将完整的图书架位信息呈现。在前端展示平台中，通过Unity3D 等软件结合图书架位信息，可以展现出完整的3D 场景模型，方便了读者及图书馆员对图书的直观查找。

在以智慧图书馆为发展趋势的大背景下，本文通过设计智能设备并结合RFID 技术，将图书馆的图书盘点工作交给了智能机器人去完成。在机器人设计上考虑到了简洁、便利、可扩展等适合图书馆应用的因素，通过使用轨迹色带标识的方式，简化了机器人在开架环境中导航定位的复杂度，同时考虑到开架环境中读者的因素造成机器人在偏离设定轨道时的情况，通过在书架位置预设信号源方式，机器人找寻无线信号源返回预设轨道。