图书ATM机中图书抓取机械手二次定位系统及其方法

摘要

一种图书ATM机中图书抓取机械手的二次定位系统及其方法，涉及一种定位系统及其方法，系统包括书架、图书抓取车、车架、控制系统，书架上设有定位光栅和校准光栅，图书抓取车上分别安装有图书抓取机械手、定位激光头、校准激光头、横向二次运动组件，定位激光头、校准激光头分别与控制系统连接，控制系统的输出端与横向二次运动组件等的输入端连接。方法包括：S1系统初始化：S11采样横向位置数据、S12采样竖向位置数据、S13采样校准光栅位置数据、S14将校准光栅的位置数据进行插值运算；S2系统的运行等。本发明可实现图书抓取机械手的快速定位，效率、定位精度、可靠性均较高，制造成本低，方法简便，易于操作使用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种机械手定位系统及其方法，特别是涉及一种图书ATM机中图书抓取机械手的二次定位系统及其方法。

背景技术

随着科学技术的发展，图书ATM机得到了快速的发展，其中图书馆AMT机最关键的技术是机械手的精确定位。由于机械手的精确定位是一个二维的运动，现有的图书ATM机中图书抓取机械手的定位系统，为了保证达到一定精度的定位，一般利用运动轨迹计算在X与Y方向采用插补的方法同时行进定位，这种方法对机械系统设计要求非常高，成本也非常高，而且无法克服机械变形和磨损所引起的误差；有些系统为了降低成本，利用相应算法把二维运动分解为一维运动，如先走Y方向，后走X方向运动，但是这种方法所需要的时间较长。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种能实现快速定位而且成本较低的图书ATM机中图书抓取机械手二次定位系统及其方法。

解决上述技术问题的技术方案是：一种图书ATM机中图书抓取机械手的二次定位系统，包括书架、图书抓取车、车架、控制系统，所述的书架由书架层板、书架边框构成，车架与图书抓取车沿横向滑动配合，所述的图书抓取车上分别安装有图书抓取机械手、机械手竖向运动驱动电机、机械手竖向运动传动装置、机械手横向运动驱动电机、机械手横向运动传动装置，所述的书架层板上分别设置有定位光栅和校准光栅，所述的图书抓取车上还分别安装有水平滑台、用于扫描定位光栅的定位激光头，所述的水平滑台与机械手竖向运动传动装置滑动配合，水平滑台上安装有机械手前后运动组件，机械手前后运动组件上横跨设置有横向二次运动组件，所述的图书抓取机械手底部与横向二次运动组件滑动配合，且该图书抓取机械手上还安装有用于扫描校准光栅的校准激光头，所述的横向二次运动组件与机械手前后运动组件滑动配合；所述的定位激光头、校准激光头分别与控制系统连接，控制系统的输出端分别与机械手竖向运动驱动电机、机械手横向运动驱动电机、机械手前后运动组件以及横向二次运动组件的输入端连接。

本发明的进一步技术方案是：所述的机械手前后运动组件包括前后运动导轨、前后运动丝杆、前后驱动电机，所述的前后运动导轨、前后运动丝杆、前后驱动电机分别固定在水平滑台上，前后驱动电机的输出轴直接与前后运动丝杆连接，所述的横向二次运动组件通过滑块套接在前后运动导轨上，且横向二次运动组件还通过前后运动丝杆螺母与前后运动丝杆相连接。

本发明的再进一步技术方案是：所述的横向二次运动组件包括横向二次运动导轨、横向二次运动丝杆、横向二次驱动电机，所述的横向二次运动导轨、横向二次运动丝杆、横向二次驱动电机分别通过滑块套接在前后运动导轨上，横向二次驱动电机的输出轴直接与横向二次运动丝杆连接，所述的图书抓取机械手底部通过滑块套接在横向二次运动导轨上，且图书抓取机械手底部还通过横向二次运动丝杆螺母与横向二次运动丝杆相连接。

本发明的再进一步技术方案是：所述的定位光栅设置在最底层的书架层板下方，所述的校准光栅均匀设置在每层书架层板的两端和中间；所述的定位激光头安装在图书抓取车底端的与定位光栅相对应位置上。

本发明的另一技术方案是：一种图书ATM机中图书抓取机械手的二次定位方法，该方法包括如下步骤：

S1、系统初始化：

S11、采样横向位置数据：

通过安装在图书抓取车底端上的定位激光头扫描最底层书架层板下方的定位光栅，对书架横向每一个位置数据进行采样，采样的横向位置数据包含光学数据及脉冲数据，每一个采样的横向位置数据与书架横向的每一个架位号相对应，该横向位置数据作为初次横向定位的依据；

S12、采样竖向位置数据：

对书架竖直方向采用位置算法完成精准的竖向位置数据采样，该竖向位置数据作为初次竖直定位的依据；

S13、采样校准光栅位置数据：

在书架层板每层均匀设置三条校准光栅，由校准激光头在二次定位系统的驱动下对该三条校准光栅的位置数据进行二次扫描采样，得到校准光栅的位置数据；

S14、将校准光栅的位置数据进行插值运算：

将校准光栅的位置数据进行插值运算，得出每一层每一个位置的二次定位脉冲数据；

S2．系统的运行：

 S21、初次定位：

  系统正常运行后，控制系统根据给出的架位号取出相应的横向位置数据、竖向位置数据，并以一定的驱动速度驱动机械手竖向运动驱动电机、机械手横向运动驱动电机带动图书抓取机械手到达相应的架位号，完成系统的初次定位；

            S22、二次定位：

    控制系统再取出二次定位脉冲数据，驱动横向二次运动组件带动图书抓取机械手进行精确定位，以消除偏差，完成二次定位；

    S23、实现取书或还书动作：

最后再通过控制系统控制前后运动组件前后运动，带动图书抓取机械手的前进或后退，以实现取书或还书动作。

本发明的进一步技术方案是：所述初次横向定位的横向位置数据采用闭环控制，即利用光学数据进行反馈控制。

本发明的再进一步技术方案是：在步骤S14中，所述的插值运算为线性插值运算或二次插值运算或三次插值运算。

由于采用上述结构，本发明之图书ATM机中图书抓取机械手二次定位系统及其方法与现有技术相比，具有以下有益效果：

1. 可实现图书抓取机械手的快速定位，效率较高：

由于本发明在书架层板上分别设置有定位光栅和校准光栅，在图书抓取车上还分别安装有水平滑台、用于扫描定位光栅的定位激光头，水平滑台与机械手竖向运动传动装置滑动配合，水平滑台上安装有横向二次运动组件，图书抓取机械手底部与横向二次运动组件滑动配合，且图书抓取机械手上还安装有用于扫描校准光栅的校准激光头，校准激光头、定位激光头分别与控制系统连接，控制系统的输出端分别与机械手竖向运动驱动电机、机械手横向运动驱动电机、横向二次运动组件的输入端连接。因此，本发明可同时驱动机械手竖向运动驱动电机、机械手横向运动驱动电机带动图书抓取机械手分别沿X、Y方向行进到达相应的架位号，完成系统的初次定位；然后控制系统再驱动横向二次运动组件带动图书抓取机械手进行精确定位，以消除偏差，完成二次定位；因此，本发明可实现图书抓取机械手的快速定位，其效率非常高。

2. 定位精度高：

本申请在运动方式采用二维方向即X，Y同时运动的方式，在大幅度提高系统效率的同时，由于垂直方向运动的行进是采用丝杆来推进，它的运动轨迹由固定的算法来完成，所以能很好地保证精度；而水平方向的每一个位置的粗定位由定位光栅结合定位激光头来完成，但由于定位光栅位于最底层的书架层板的下方，它无法保证机械手在每一层书架的定位精度，即使机械安装精度很高，但由于系统在长期的运行过程中机械会发生变形和磨损，也无法保证第一层上面多层的定位精度，所以在粗定位以后，本申请再对每一层再采用了小范围的二次精确定位。再加上本发明初次横向定位采用闭环控制，即利用光学数据进行反馈控制，所以本发明的定位精度非常高，能使图书抓取机械手的定位误差小于1mm，完全克服了机械变形和磨损所引起的误差。

3. 可靠性高：

由于本发明采用了二次定位的精确控制，避免了激光测距、运动轨迹计算和条码扫描以及机械变形和磨损所造成的各种误差，其可靠性较高。

4. 制造成本低，方法简便，易于操作使用：

本发明包括的器件均比较简单，无需复杂的元件，且只在X方向设置一层定位光栅，其余层只设置三条校准光栅，Y轴无需设置光栅，因此，本发明的成本较低，而且方法简便，易于操作使用。

   下面，结合附图和实施例对本发明之图书ATM机中图书抓取机械手二次定位系统及其方法的技术特征作进一步的说明。

附图说明

图1：实施例一所述本发明之图书ATM机中图书抓取机械手二次定位系统的结构示意图，

图2～图3：实施例一所述图书抓取车的结构示意图，

图4：实施例一所述水平滑台（去掉部分壳体后）及安装在其上的图书抓取机械手、机械手前后运动组件、横向二次运动组件的结构示意图。

在上述附图中，各标号说明如下：

1-书架， 101-书架层板，102-书架边框，

2-图书抓取车，201-图书抓取机械手，202-机械手竖向运动驱动电机，

203-机械手竖向运动传动装置，2031-竖直导轨，2032-竖直丝杆，

204-机械手横向运动驱动电机，

205-机械手横向运动传动装置，2051-上导向轮，2052-下导向轮，

2053-上同步带轮，2054-下同步带轮，2055-同步杆，

206-水平滑台，2061-水平滑台的壳体，207-定位激光头，

208-校准激光头，209-机械手前后运动组件，210-横向二次运动组件，

2091-前后运动导轨，2092-前后运动丝杆，2093-前后驱动电机，

2101-横向二次运动导轨，2102-横向二次运动丝杆，2103-横向二次驱动电机，

3-定位光栅，4-校准光栅。

具体实施方式

实施例一：

一种图书ATM机中图书抓取机械手的二次定位系统，包括书架1、图书抓取车2、车架、控制系统，所述的书架1由书架层板101、书架边框102构成，最底层的书架层板101下方设置有一组定位光栅3，每层书架层板101在两端和中间均设置有三条校准光栅4；

所述的车架位于书架1的横向一侧（图1中未示出），该车架下端分别设有下导轨和下同步带，车架的上端分别设有上导轨和上同步带；

所述的图书抓取车2上分别安装有图书抓取机械手201、机械手竖向运动驱动电机202、机械手竖向运动传动装置203、机械手横向运动驱动电机204、机械手横向运动传动装置205、水平滑台206、用于扫描定位光栅的定位激光头207，其中：

所述的机械手竖向运动传动装置203包括竖直导轨2031、竖直丝杆2032，所述的竖直导轨2031、竖直丝杆2032分别固定在图书抓取车2的顶部和底部之间，所述的水平滑台206通过滑块与竖直导轨2031滑动配合，且水平滑台206还通过滑块与丝杆螺母与竖直丝杆2032连接，竖直丝杆2032与机械手竖向运动驱动电机202连接；

所述的机械手横向运动传动装置205包括上导向轮2051、下导向轮2052、上同步带轮2053、下同步带轮2054、同步杆2055，其中：

所述的上导向轮2051固定在图书抓取车2的顶部，下导向轮2052安装在图书抓取车2的底部，该上导向轮2051、下导向轮2052分别与车架的上导轨、下导轨沿横向滑动配合；

所述的上同步带轮2053位于图书抓取车2的顶部，该上同步带轮2053固定连接在同步杆2055的顶端，所述的下同步带轮2054位于图书抓取车2的底部，该下同步带轮2054固定连接在同步杆2055的底端，所述机械手横向运动驱动电机204的输出轴与下同步带轮2054连接，该下同步带轮2054还与车架的下同步带啮合，所述的上同步带轮2053与车架的上同步带啮合。

所述的定位激光头207安装在图书抓取车底端的与定位光栅相对应的位置上；

所述的水平滑台206为由壳体2061组合起来的前方开口的方形盒体结构，水平滑台206内安装有机械手前后运动组件209，机械手前后运动组件209上横跨设置有横向二次运动组件210，所述的图书抓取机械手201底部与横向二次运动组件210滑动配合，且该图书抓取机械手201上还安装有用于扫描校准光栅的校准激光头208，所述的横向二次运动组件210与机械手前后运动组件209滑动配合；

所述的定位激光头207、校准激光头208分别与控制系统连接，控制系统（图1中未示出）的输出端分别与机械手竖向运动驱动电机202、机械手横向运动驱动电机204、机械手前后运动组件209以及横向二次运动组件210的输入端连接。

所述的机械手前后运动组件209包括前后运动导轨2091、前后运动丝杆2092、前后驱动电机2093，所述的前后运动导轨2091、前后运动丝杆2092、前后驱动电机2093分别固定在水平滑台206上，前后驱动电机2093的输出轴直接与前后运动丝杆2092连接，所述的横向二次运动组件210通过滑块套接在前后运动导轨2091上，且横向二次运动组件209还通过前后运动丝杆螺母与前后运动丝杆2092相连接。

所述的横向二次运动组件210包括横向二次运动导轨2101、横向二次运动丝杆2102、横向二次驱动电机2103，所述的横向二次运动导轨2101、横向二次运动丝杆2102、横向二次驱动电机2103分别通过滑块套接在前后运动导轨2091上，横向二次驱动电机2103的输出轴直接与横向二次运动丝杆2102连接，所述的图书抓取机械手201底部通过滑块套接在横向二次运动导轨2101上，且图书抓取机械手201底部还通过横向二次运动丝杆螺母与横向二次运动丝杆2102相连接。

实施例二

一种图书ATM机中图书抓取机械手的二次定位方法，该方法包括如下步骤：

S1、系统初始化：

S11、采样横向位置数据：

通过安装在图书抓取车底端上的定位激光头扫描最底层书架层板下方的定位光栅，对书架横向每一个位置数据进行采样，采样的横向位置数据包含光学数据及脉冲数据，每一个采样的横向位置数据记录着书架横向的每一个架位号，该横向位置数据作为初次横向定位的依据；

S12、采样竖向位置数据：

对书架竖直方向采用位置算法完成精准的竖向位置数据采样，该竖向位置数据作为初次竖直定位的依据；

S13、采样校准光栅位置数据：

在其余层的书架层板每层相同位置上设置三条校准光栅，由校准激光头对该三条校准光栅的位置数据进行采样，得校准光栅位置数据；

S14、将校准光栅的位置数据进行插值运算：

将校准光栅的位置数据进行插值运算，得出每一层每一个位置的二次定位脉冲数据；

S2．系统的运行：

 S21、初次定位：

系统正常运行后，控制系统根据给出的架位号取出相应的横向位置数据、竖向位置数据，并以一定的驱动速度驱动机械手竖向运动驱动电机、机械手横向运动驱动电机带动图书抓取机械手到达相应的架位号，完成系统的初次定位；

  S22、二次定位：

控制系统再取出二次定位脉冲数据，驱动横向二次运动组件带动图书抓取机械手进行精确定位，以消除偏差，完成二次定位；

S23、实现取书或还书动作：

最后再通过控制系统控制前后运动组件前后运动，带动图书抓取机械手的前进或后退，以实现取书或还书动作。

所述初次横向定位采用闭环控制，即利用位置数据进行反馈控制。

作为实施例一、二的一种变换，所述设置在每层书架层板101上的校准光栅4可以是3条，也可以是5条或7条等。

作为实施例二的一种变换，所述步骤S14中的插值运算还可以为二次插值运算或三次插值运算或更高阶的插值运算。