摘 要 ：智能图书馆管理和服务一直是图书馆发展的重点方向之一。本项目设计了一款基于机械系统的新式图书整理系统，使图书能够自动到达指定位置。在还书工况下，系统可以使图书自动归架并更新图书位置信息 ；在借书工况下，系统可以确定图书位置信息，并将图书取出运送至指定位置，从而达到节省读者借书时间、减轻管理员工作量的目的。本项目通过图书数据处理系统（导入图书馆数据库）、图书归类运送系统、机械臂图书无损归架取书系统（通过视觉系统实现图书精准归位、拿取）这三个系统进行综合优化，实现了自动化图书取书、归架。整套系统创新了图书管理模式，为图书馆智能化、现代化提供思路。
关键词 ：图书管理 ；智能机械 ；导轨和伸缩机构 ；自动借还 ；管理创新 ；图书归类运送
0 引 言
随着科学技术的发展和社会经济的进步，传统的图书馆管理系统已经不能满足人们的阅读和查阅资料的需求。智能化、规模化、现代化的图书馆已经成为未来图书馆的发展方向[1]。传统的方式是由图书馆工作人员不断地重复繁琐的图书整理工作，由于图书种类繁多、图书大小参差不齐，工作人员很容易出现分类、摆放出错的问题。随着图书规模增加，许多图书馆已经出现了人力资源不足、人力成本过高的问题。于是，运用机器人技术帮助图书馆工作人员进行管理、服务读者，能够大大满足新时代背景下人们的阅读需求[2]。本项目结合机械相关知识、“互联网 +”、大数据时代背景以及目前图书管理遇到的相关问题，设计研究了一种基于机械系统的新式智能图书整理系统，以创新和提高图书馆图书的管理模式和效率。
1 图书管理发展趋势
1.1 国内机械辅助管理图书的现状
通过调查研究发现，目前国内出现的机械化图书整理系统主要有三大类 ：物流机器人辅助运输，机械手、机械臂分拣，类 ATM 机的自助借还系统。机械辅助图书整理在我国的发展主要分为理论思辨、应用初探、智能化实践三个阶段[3]。但是目前的机械辅助图书管理模式仍存在一定的问题，主要有机器人技术不完善、创新能力不足、缺乏统一标准、智能化程度较低等[4]。在机械管理图书的各类模式中，需要三项关键的技术，即文献定位技术、自动导航技术、图书拾取技术[5]。许多学者在这三项技术上都有较为深入的研究，例如基于排架号可计算的文献定位技术[6]、UWB 定位导航技术[7]、特制机械手取书技术等。
1.2 图书馆管理模式的趋势
信息化、物联化的时代，给图书馆的管理模式带来了许多机遇，同时也带来了很多挑战。目前的管理模式主要存在图书安全难以保证、缺乏多元化和个性化的服务以及管理成本较高等问题，所以未来图书馆的管理方式需要节约成本费用、优化管理方式、提高服务质量[8]。随着机器人技术的不断成熟与发展，图书馆的管理模式一定会随着机器人的到来而发生长远的改变[9]。另外，随着5G 技术的发展和日渐成熟，图书馆的管理模式创新也将需要 5G 技术的参与。5G 技术将提供 VR 和 AR 智慧图书馆、智慧阅读、智慧服务等功能[10]，为读者提供更加多元化、特色化、趣味化的服务。
2 图书管理系统设计
2.1 需求分析
经过大量的问卷调研情况分析，目前图书馆的读者一般分为三大类。第一类 ：读者目的明确，一般是带着固定的目标书目来到图书馆借阅，此类读者的需求简单，就是在藏书量极大的图书馆中，精确定位到该本书的位置。目前图书馆的分类方式可以满足这类读者较快速定位到该类书的具体位置，但具体的书目还需要根据书本编号在某一特定区域花较长时间寻找。第二类 ：读者方向明确，但是不清楚自己需要的具体书目的名称，此类读者清楚自己的借阅方向，即明确的是书目的种类，因此这类读者的需求就是在图书馆中找到这类书的具体位置，目前图书馆已经可以做到这一点。第三类 ：读者不明确方向也不明确具体书目，他们的阅读内容混杂，涉猎知识面广泛，他们的需求就是图书馆可以有较大的藏书量、较为丰富的书目种类，因此也需要图书馆有较为完善的图书查询功能。另外，较多的读者也希望图书馆可以有一个较为安静整洁的环境，这有利于读者在图书馆中进行阅读和学习。
2.2 新式图书管理系统的功能架构设计
基于智能机械的新式图书管理系统的功能架构如图 1 所示。读者输入指令后确定借书或还书目标，机械系统接收指令后确定图书的具体位置，随后系统取书或放书至指定位置，便完成了一次借还书过程。在多人借阅的情况下，有多套系统同时运行，满足快速、稳定、准确的借还书需求。
2.3 机械系统结构设计
为了满足整体系统的各项功能，基于智能机械的新式图书管理系统的机械系统部分如图 2 所示。系统由 X 和 Y 轴导轨、四边形伸缩机构、视觉识别电磁机构以及书夹组成。系统主要负责取书、放书、运书功能。在借书工况下，系统收到信号，确定书目具体目标后，导轨及四边形伸缩机构精确移动到该书所在位置，由视觉识别模块识别确认书目条纹码信息后，将电磁模块通电，靠近铁质书夹，利用电磁吸力将书本取出，随后导轨与四边形伸缩机构移动至借书指定位置，电磁模块断电即可完成借书。在还书工况下，整体过程与借书工况大致相反，由读者将书本放入书夹中，系统将书本归位并更新书本位置信息即可。
2.4 系统整体架构
机械系统的整体架构如图 3 所示。读者输入指令后发出信号，系统接收到信号以后由云端数据库提供该书目的具体位置信息，随后导轨与伸缩杆精确移动，再由通电的电磁铁模块将书本取出，移动到指定位置。
2.5 重要功能细节设计
（1）X、Y 轴导轨及伸缩杆
X、Y 轴导轨和伸缩机构如图 4 所示。导轨采用三条梯形螺纹丝杆滑块结构，采用伺服电机精确控制其进给距离，可以保证取运书过程中的精确性和稳定性。另外，伸缩机构为四边形机构，由液压推力杆控制，可以精确控制推力杆行程，以满足精确定位的目标。
（2）书夹的设计与使用
书夹设计是本项目核心内容，书夹的结构设计情况如 图 5 所示。书夹由书夹长杆、书夹后盖、书夹底座、书夹滑块和弹簧组成，此书夹设计可以满足不同大小类型的图书。书夹后盖有一小折弯，当电磁模块牢牢吸附在铁页以下的书夹后盖背部时，电磁模块将顶住铁页，从而使整个书夹固定在电磁模块上而不会滑落，使书籍运送时更加安全可靠 ；书夹后盖上部与书夹长杆相连接，书夹长杆在连接书夹后盖和书夹滑盖的同时也夹住了书本，与书夹底座一起作用使书本能直立在书夹中，书夹滑盖通过弹簧的作用使其紧贴在书脊上，从而约束了书本 ；书夹底座和书夹滑盖与书籍接触的部分均带有橡胶垫，用以防止损伤书籍。书夹的使用如图 6 所示。本设计中，图书馆的每一本书都将放入书夹中，书夹的制作材料除书夹后盖以外，其余结构都可以由高强度塑料制作，因此成本较低，在藏书量较大的图书馆中也不会耗费较多的资金。
（3）设备降噪处理
图书馆是一个学习和阅读的场所，环境的安静和整洁十分重要，因此本项目需要对设备进行深度的降噪处理。主要的处理方式有 ：提高设备装配精度、定期进行设备润滑、吸声材料包裹存书房间等。
3 图书管理和服务模式创新
基于上文所述的图书管理系统，可以创新一种新式的图书管理模式，此模式具有许多传统图书管理模式所不具有的优势。
（1）图书整理快速准确
在此模式下，所有图书整理任务都将由机械代为完成，替代了原有人工整理的方式，可以在较短的时间内精确完成图书整理工作，节省了大量人力。
（2）物联网控制
读者可以通过微信小程序或者 APP 查询具体书目，并由微信小程序或 APP 发出指令取书（还书），读者只须在指定地点等待即可。
（3）图书馆空间资源利用提升
在此系统工作模式下，可以将图书馆存书房间与阅览房间独立设置，且存书房间中的书架允许用更小的距离摆放。因此可以节省出许多空间资源。
（4）书目推荐
在微信小程序或者 APP 中，可以根据用户的历史借阅和搜索信息，对用户的阅读习惯进行分析，并向用户推送书目信息。
4 结语
图书馆管理服务智能化趋势非常明显且十分重要。智能化的设计可以为图书馆提供较好的管理和服务模式，进而可以在降低管理成本的前提下提升图书馆的管理和服务质量，适应未来化图书馆的需求。较好的图书管理模式还可以为读者提供更为优越的阅读环境和阅读体验，吸引更多人进入图书馆阅读，丰富人们的文化生活。本项目可以为智能化图书馆设计提供思路。
作者：胡官阳 金佳翰 韩泽琦 单位：浙江工业大学 机械工程学院
