摘要：針對傳統(tǒng)方法查找書籍繁瑣、耗時長，開發(fā)一套基于藍(lán)牙通信的可以通過遠(yuǎn)端自然語言控制的具有自動查找定位、可避障移動和自動巡線傳送書籍等功能的小型智能書架機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包含書架機(jī)器人本體部分和遠(yuǎn)端控制APP部分。書架機(jī)器人本體部分通過3D機(jī)械設(shè)計和開源平臺Arduino編程控制電路運轉(zhuǎn);APP部分利用APPInventor軟件開發(fā)一套書架控制手機(jī)APP，并采用關(guān)鍵字查詢技術(shù)查找圖書。經(jīng)過實驗測試，發(fā)現(xiàn)書架機(jī)器人系統(tǒng)可以在短時間內(nèi)準(zhǔn)確查找到圖書，并準(zhǔn)確送達(dá)目的位置。文中設(shè)計的書架機(jī)器人系統(tǒng)有效解決了在特定場合需要快速定位查找書籍、便捷取放圖書等問題。

　　關(guān)鍵詞：書架機(jī)器人;藍(lán)牙通信;自然語言控制;系統(tǒng)設(shè)計;遠(yuǎn)程控制;系統(tǒng)測試

　　0引言

　　隨著機(jī)器人技術(shù)以及移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展[1⁃2]，智能化研究在日常生活中的應(yīng)用需求日益增多[3⁃6]。如今，在教室、書房、辦公室等場所，書籍被堆放在書架上，大多是通過人工查閱的，查找比較困難，拿取也極其不方便，嚴(yán)重影響了人們查閱書籍的時效性。如果設(shè)計出一種能夠通過自然語音自動查找書籍，并把定位的書籍送到人們手邊的書架機(jī)器人，將有效地解決人們在書房中對書籍定位難、查找耗時長等問題。在查閱圖書過程中，準(zhǔn)確定位和取放圖書是常見的問題。

　　針對書籍定位這一問題，張郁松等以物聯(lián)網(wǎng)圖書館智能書架的結(jié)構(gòu)化、通用化設(shè)計為目標(biāo)，利用超高頻(UHF)射頻識別(RFID)技術(shù)，設(shè)計了一種具有實時檢測與定位功能的智能書架，提高查閱書籍的效率[7];舒遠(yuǎn)仲等基于改進(jìn)的RFID室內(nèi)定位技術(shù)設(shè)計一款應(yīng)用于圖書館中的智能書架系統(tǒng)[8]，將書架定位到每一層，精確到書架的最小單元格，并且降低系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本，有效地提高了讀者借閱圖書的效率和管理員的工作效率，在國內(nèi)外，很多圖書館為了提高圖書查找效率已經(jīng)從純手工管理方式過渡到采用條形碼識別、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)軟件技術(shù)等的數(shù)字化管理模式。雖然采用了許多現(xiàn)代化技術(shù)，但還是有很多問題困擾著閱讀者。

　　據(jù)調(diào)研分析，目前存在的問題主要體現(xiàn)在圖書館藏書量大的時候，閱讀者需要花費很多時間去找出自己想要的圖書。即使現(xiàn)有圖書館有圖書檢索查詢系統(tǒng)，但通過圖書檢索查詢系統(tǒng)只能檢索到圖書所在的書架機(jī)器人號或樓層，還是需要閱讀者花時間到書架機(jī)器人或樓層查找圖書。另外，現(xiàn)有的書架系統(tǒng)不可移動，在找圖書前，閱讀者還需要花費一些時間去找出相應(yīng)書架。此外，這些圖書管理及查找系統(tǒng)都是針對較大型圖書館設(shè)計的，目前還沒有一款主要針對個人的圖書管理系統(tǒng)。鑒于此，本文設(shè)計基于藍(lán)牙的語音控制書架機(jī)器人系統(tǒng)。

　　該系統(tǒng)可以通過移動終端設(shè)備(手機(jī)或平板等)用自然語言控制書架的行為，書架行為主要有兩大類型：圖書查找定位行為以及書架運動行為。這樣，每個個體尤其是在校學(xué)生就可以擁有一個自己的專屬書架，平時書架可以停放在室內(nèi)的任何空閑角落，需要拿放圖書時，用自然語言命令書架運動到自己的身邊，同時，也不需要自己查找所需拿取的圖書，只需通過自然語言告訴書架你所要的圖書名稱(支持關(guān)鍵字查找)，書架自動為你查找該圖書并精確定位該圖書在書架上的位置。從而較好地解決目前大量學(xué)習(xí)資料存放及查找繁瑣、費時的問題，有效提高了學(xué)習(xí)效率。

　　1總體開發(fā)流程

　　基于藍(lán)牙的語音控制書架機(jī)器人系統(tǒng)總體內(nèi)容主要包含兩部分：書架機(jī)器人本體部分和遠(yuǎn)端控制APP部分。書架機(jī)器人本體部分包含書架機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，主要用于存取圖書、定位圖書、與APP端通信和移動書架等功能。遠(yuǎn)端控制APP部分主要是通過移動終端設(shè)備(手機(jī)、平板等)上開發(fā)的APP軟件來管理圖書、控制書架行為等。

　　2硬件系統(tǒng)設(shè)計

　　2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　由于要考慮書架尺寸和所存放圖書種類、大小的不同，書架機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計必須符合實際要求。首先采用三維軟件進(jìn)行建模，然后按照實際需求對建模的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計分析，之后通過3D打印機(jī)將模型打印成型。所設(shè)計的書架機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包含圖書存放機(jī)構(gòu)，具有多個不同大小的存儲格子，可以存放多種圖書;包含可以存放控制系統(tǒng)的夾層;包含可移動的萬向輪，可以保證書架自由全方位移動;包含存放圖書查詢定位的機(jī)構(gòu)，主要用于存放LED指示燈、液晶顯示屏和語音播報小喇叭等。這里選用三維建模軟件3DOne對書架機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，是因為3DOne融合了其他軟件的許多功能，而且把很多功能進(jìn)行圖形簡易化處理，整合了常用的實體造型和草圖繪制等命令，使用起來非常方便、簡單。同時該軟件實現(xiàn)了3D設(shè)計與3D打印軟件的直接無縫連接，設(shè)計好的三維圖形導(dǎo)出后可以直接連接到3D打印機(jī)上進(jìn)行打印。

　　2.2控制系統(tǒng)設(shè)計

　　書架機(jī)器人本體的控制系統(tǒng)，采用ArduinoUNO[9⁃10]開發(fā)板作為主控器，開發(fā)板使用高速的微處理控制器(ATMEGA328)，開發(fā)操作界面和環(huán)境都較簡單、易理解，而且控制器穩(wěn)定、運行速度快。書架機(jī)器人本體的控制系統(tǒng)外圍模塊主要包括前端避障模塊、巡線模塊、藍(lán)牙通信模塊、供電模塊和驅(qū)動模塊。書架機(jī)器人本體部分控制系統(tǒng)電路原理，主要由控制器通過指令控制各模塊的工作，由于驅(qū)動和通信模塊的功能比較容易理解，這里主要介紹一下避障模塊和巡線模塊。

　　3軟件系統(tǒng)設(shè)計

　　3.1開發(fā)平臺介紹

　　本文設(shè)計的基于藍(lán)牙的語音控制書架機(jī)器人系統(tǒng)的書架機(jī)器人本體部分和遠(yuǎn)端控制手機(jī)APP部分主要在開源平臺ArduinoIDE和APPInventor[11]上進(jìn)行設(shè)計和開發(fā)。ArduinoIDE可以在多操作系統(tǒng)上運行，是基于processingIDE開發(fā)，Arduino的IDE界面是基于開放源代碼。同時，它可以使用C語言進(jìn)行編程，對于初學(xué)者來說，比較容易掌握，而且具有足夠大的靈活性和擴(kuò)展性。遠(yuǎn)端控制APP部分采用的是APPInventor開發(fā)平臺來進(jìn)行手機(jī)APP軟件的開發(fā)和設(shè)計。GoogleAPPInventor是一個完全在線開發(fā)的Android編程環(huán)境，該平臺采用圖形模塊化編程，省去復(fù)雜的代碼書寫程序的繁瑣。

　　3.2算法思想

　　由于基于藍(lán)牙的語音控制書架機(jī)器人系統(tǒng)分為兩大部分控制系統(tǒng)，根據(jù)各自特點需要采用兩個軟件。相應(yīng)地根據(jù)實現(xiàn)的功能不同，需要設(shè)計兩套不同的算法。

　　3.2.1書架機(jī)器人本體端算法思想

　　書架機(jī)器人本體端程序采用ArduinoIDE開發(fā)環(huán)境編寫，主要完成接收APP程序端控制命令和解析命令，控制書架按命令要求完成相應(yīng)的動作(移動、查找、定位、巡線等)。

　　4系統(tǒng)測試

　　為了驗證本文設(shè)計的書架機(jī)器人系統(tǒng)的實用性，選取實際應(yīng)用環(huán)境對系統(tǒng)進(jìn)行測試。實驗針對存放書籍?dāng)?shù)量為10本的書架機(jī)器人進(jìn)行測試，主要測試書籍查詢定位和送達(dá)成功的準(zhǔn)確率和所用的時間。由表中數(shù)據(jù)可知，測試準(zhǔn)確率基本達(dá)到90%以上，查詢定位和送達(dá)書籍所用時間較短，在人們可以接受的范圍內(nèi)，與傳統(tǒng)書架的查詢方式相對比，具有定位快、用時短、準(zhǔn)確率高的特點，具有一定實用價值。

　　計算機(jī)論文范例：計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)在項目管理中的應(yīng)用

　　5結(jié)語

　　本文基于藍(lán)牙通信、ArduinoIDE和APPInventor開發(fā)平臺，成功搭建語音控制書架機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)由書架機(jī)器人本體和遠(yuǎn)端控制APP組成，較好地把機(jī)器人技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到了書架設(shè)備中，解決了查找圖書耗時耗力的問題，提高了時效性。該系統(tǒng)經(jīng)過實驗測試，所設(shè)計的書架機(jī)器人系統(tǒng)在特定環(huán)境下可以準(zhǔn)確查找定位和推送書籍，具有較好的穩(wěn)定性和識別準(zhǔn)確率，可滿足實際應(yīng)用需求，有較大的市場前景。但是仍然存在一些不足之處，通過用戶反饋信息，將從以下幾個方面改進(jìn)完善：優(yōu)化書架機(jī)器人本體的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使其更加穩(wěn)固的同時增加存書量;增加一些個性化可選擇功能模塊，滿足現(xiàn)代人的個性化需求。

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　　作者：孫苗1，2，蘭曉紅1，賀轉(zhuǎn)玲3，魏延1