一种档案机器人、档案自动管控系统及方法与流程

1.本公开属于自动化及制造技术领域，具体涉及一种档案机器人、档案自动管控系统及方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.智慧档案管理体系一直是各行各业档案管理发展的重点方向之一。它的目标是为企业提供更加智能、高效、便利的管理。机器人技术为智慧档案管理的发展带来了新的机遇和挑战，能够从根本上提升企业管理的效率和质量。
4.但据发明人了解，现有的档案管理存在以下问题：一方面，档案管理面临着数据爆炸、信息化转变的挑战，存储空间不足，查找效率低、数据管理混乱；另一方面，单纯利用机器人可以提高档案管理的效率，但是目前档案的存储系统，无法配合机器人，只能一味提高机器人的智能性，并不能取得很好的效果，同时也会增加档案管理的投入成本，当需要抓取的档案较多时，机器人需要不断往返于几点之间，重复运动过多。


技术实现要素：

5.本公开为了解决上述问题，提出了一种档案机器人、档案自动管控系统及方法，本公开通过档案存储系统、机器人等多方面的智能化设计，能够在不大幅提升机器人成本的基础上，提高档案库房巡视和管理工作的效率和效益。
6.根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
7.一种档案机器人，包括移动平台、机械臂、机械手和档案暂存机构，所述移动平台上设置有机械臂，所述机械臂的端部设置有机械手，所述机械臂能够带动所述机械手在x、y、z方向上移动，所述移动平台上设置有所述档案暂存机构，所述移动平台上设置有测距传感器，以检测所述档案暂存机构与目标档案柜的距离；
8.所述档案暂存机构，包括基板，所述基板上并排设置有多个档案存储位，相邻的档案存储位之间设置有隔板，每个档案存储位底部设置有传送机构，且每个档案存储位上设置有空位检测模块；
9.所述基板侧面设置有挡板，所述挡板能够沿竖直方向移动，以形成或撤销所述挡板在档案存储位的遮挡。
10.上述技术方案中，通过档案暂存机构，能够暂存多个档案(或档案盒)，适用于从同一或不同档案柜抓取多个档案的情况，不用机器人短时间内往复运动，保证了工作的效率。同时，档案存储位上设置有空位检测模块，能够检测各存储位的状态，以保证档案一一对准放置，同时，利用传送机构，可以保证档案自动传输至存储位上，提高的便捷程度和效率。
11.作为可选择的实施方式，所述基板下设置有水平位置调整机构。
12.作为可选择的实施方式，所述挡板包括两块，分别设置于所述基板的两侧，且挡板
的延伸方向与各档案存储位的分布方向一致，与所述传送机构的分布方向垂直。
13.作为可选择的实施方式，所述挡板的长度大于等于n-1个档案存储位的宽度，n为档案存储位的个数。
14.作为可选择的实施方式，所述移动平台的两侧均设置有测距传感器，所述测距传感器和目标档案柜上设置有感应条位置相匹配。
15.通过两端的测距传感器的测量值，可以确定机器人是否正对目标档案柜，减少机器人的定位误差，通过对机械臂z轴旋转角度的调整确保机械手严格垂直于所取档案，保证机械手与档案摆放空隙严格对应。
16.作为可选择的实施方式，所述移动平台或机械臂上设置有巡检组件。所述巡检组件包括但不限于可见光相机、红外热像仪、温度检测模块、湿度检测模块、摄像头。
17.作为可选择的实施方式，所述机械手包括支架，所述支架上设置有两个相对设置的夹持爪片，且所述夹持爪片能够在所述支架上进行相对运动。
18.作为可选择的实施方式，所述机械手上设置有距离传感器、读卡器和微型相机。分别用于以测量距离档案的距离和档案的识别，以及档案盘点时对摆放错误或缺失的档案进行抓图。
19.作为可选择的实施方式，所述机械手下端设置有水平托架，所述水平托架的垂直高度低于所述夹持爪片下端面。
20.一种档案自动管控系统，包括上述机器人、若干档案柜和充电机构，所述档案柜包括若干层，每层设置有多个用于存储盒的存储空间，相邻的档案存储空间之间设置有隔板，所述档案盒或档案存储空间边沿设置有标识码；
21.所述充电机构设置于档案柜下端或档案柜之间。
22.在机器人空闲状态，机器人进行充电，以保证后续正常传输。
23.作为可选择的实施方式，所述档案存储空间的宽度大于档案盒和两个夹持爪片厚度之和。
24.基于上述管控系统的作业方法，机器人接收待抓取的档案信息，移动至存放待抓取档案的目标档案柜前，通过测距传感器检测所述档案暂存机构与目标档案柜的距离，当到设定距离时，停止机器人的移动，微调机器人，使其正对目标档案柜；控制机械臂运动，使机械手距离待抓取档案设定距离，并判断是否是待抓取档案，如果是，控制机械手抓取所述档案，并将其放置在档案暂存机构的档案存储位上；
25.重复上述过程，直到无需要抓取的档案或所有档案存储位已满，控制器人移动到指定位置。
26.与现有技术相比，本公开的有益效果为：
27.本公开创新性提出了一种档案自动校准暂存技术，研制了一种档案暂存机构，实现了机器人对多个档案(或档案盒)的暂时存储，提高了机器人处理多档案的便捷程度和效率。
28.本公开创新性提出了一种档案自动调卷管控技术，研制了一种档案库房机器人，实现了档案识别调卷、库房监控巡检等多方面的智能化管控，以更经济和高效的方式提高档案库房巡视和管控工作的效率和效益。
29.本公开创新性提出了一种档案自动管控作业方法，实现了以机械手、档案盒、标识
码为一体的多目标协调控制效果，保证了机器人对档案的精准定位以及准确抓取，同时提高了机械手的空间感知辨识能力，避免机器人错拿或破坏档案。
30.本公开设置有机器人待机充电区，空闲状态下机器人与自动存取设备处于对接状态，机器人待机充电。工作时，通过自动存取设备内部传输装置完成机器人与设备之间档案的传输，从而提高机器人工作效率。
31.本公开利用rfid一次可读取多个标签、穿透性强、多次读写、记忆容量大、成本低、体积小、使用方便、可靠性和寿命高等优点，对抓取前的档案进行识别，避免拿错等重复性劳动。
32.本公开采用在机器人两侧安装高精度的测距传感器，检测机器人与档案架的相对位置以及平行度，保证抓取动作的稳定性和准确性。
33.本公开通过增加两本相邻档案之间的间隙可以有效降低对机械手精度的要求，通过机械臂y轴的平移对机械手的位置误差进行补偿，通过z轴的旋转对机械手的姿态误差进行补偿。
附图说明
34.构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
35.图1是本公开的机器人总体结构示意图；
36.图2是本公开的机器人移动平台示意图；
37.图3是本公开的机器人辅助定位系统；
38.图4是本公开的机械手示意图；
39.图5是本公开的档案暂存机构示意图；
40.图6是本公开的档案仓结构示意图；
41.图7是本公开的档案机器人与档案窗口对接状态；
42.图8是本公开的档案抓取误差示意图。
43.其中，1、机械臂x轴，2、机械臂y轴，3、机械臂z轴，4、相机，5、机械手，6、档案存储机构，7、移动平台，8、脚轮，9、驱动轮，10、联轴器，11、机械平台，12、驱动电机，13、激光测距传感器，14、机械手支架，15、测距传感器，16、夹持爪片，17、rfid读卡器，18、水平托架，19、档案，20、档案隔板，21、传送机构，22、挡板。
具体实施方式：
44.下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
45.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
46.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
47.在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
48.本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
49.如图5所示，提供一种档案存储机构6，以实现机器人一次任务提取多本档案的需求，在档案机器人上设置档案存储机构6，可以同时存放多本档案。档案存储机构6总体结构包括档案隔板20、传送机构21、档案空位检测系统、档案阻挡系统、位姿调整系统等部分，档案隔板20间隔设置，相邻两个档案隔板20之间设置有一传送机构21(可以选用传输带)，档案隔板20上设置有档案空位检测系统，档案阻挡系统为设置在各个档案隔板20边缘的挡板22。位姿调整系统为底部设置的水平位置调整机构。
50.各个档案通过档案隔板20隔开，每个间隔中均设置传送机构21，用于将档案自动传送至档案窗口或者从档案窗口自动接收档案。每个档案存放间隔设置档案空位检测系统，用于检测该间隔中是否放有档案。
51.档案存储机构6整体具备水平平移的自由度，当机器人与档案窗口对接时，通过水平位置的微调可以补偿机器人停靠的位置误差，确保与档案窗口精确对接；根据窗口高度的要求，可以增加垂直升降的自由度。档案存储机构6两侧安装可升降的挡板22，在机器人运动过程中，将两侧挡板22升起，防止档案在机器人行走过程中掉落。
52.档案存储机构6设置于机器人上，如图1所示。档案机器人主要实现档案的识别、抓取、归还和运输，档案库房的巡检和档案盘点，同时具有自主定位导航和自动充电功能。档案机器人由差速转向的轮式机器人移动平台7、多自由度机械臂、档案抓取机械手5以及档案存储机构6组成。
53.档案机器人的多自由度机械臂包括机械臂x轴1，机械臂y轴2，和机械臂z轴3，机械臂z轴3上可移动连接有机械臂x轴1，机械臂x轴1上可移动连接有机械臂y轴2。
54.机器人移动平台7实现位置的移动，多自由度机械臂和抓取机械手5实现档案取放，整体的动力由机器人移动平台7的电池提供。工作状态，机器人自主运行于档案自动存取窗口和档案架之间，完成档案的传递；机器人空闲时，机器人自动回到充电位置充电待机。机器人待机充电位置设置在档案自动存取窗口的背面，待机充电时机器人的档案存储机构6与档案自动存取窗口的档案暂存区处于对接状态。
55.机器人移动平台7具有一机械平台11，机械平台11的两侧设置有驱动轮9，机械平台11的底部设置有若干脚轮8。驱动轮9通过联轴器10与驱动电机12连接。
56.机器人移动平台7承载着档案抓取机构往返于档案架和档案自动存取窗口之间，完成对档案的提取和归还工作。本实施例中，机器人移动平台7采用行走轮与万向轮结合的解决方案，两个行走轮安装在底盘中部，四个辅助万向轮下方四个角上，如图2所示。采用该结构机器人可以实现较高的运动效率和控制精度，并可以实现原地转向。
57.机器人的精确可靠定位是档案成功抓取的关键，机器人停靠位置或姿态的微小误
差都可能导致档案抓取的失败。档案库房内部是一个档案存放设施相对固定且地面平坦的结构化环境，采用激光导航或磁导航技术均可实现机器人的精准导航。由于档案库房内部相似度高的环境特点可能会影响激光导航的精度，因而优先采用基于地面引导线的磁导航方式，并需要预先铺设导航线。
58.由于档案抓取对机器人的位置以及机械手5的姿态要求很高，定位精度至少需不大于5mm，姿态误差不大于1.5
°
，单独依赖机器人导航系统难以满足上述要求，需要采用辅助定位，如图3所示，在机器人移动平台7侧面安装两个高精度激光测距传感器13，同时在档案架侧面粘贴位移感应条，通过两个激光测距传感器13检测到的距离对比计算机器人与档案架的平行度，并通过对机械臂z轴旋转角度的调整确保机械手5严格垂直于所取档案。同时，通过计算两个激光测距传感器13扫描到的感应条间隔数量，可以计算机器人的定位误差，并通过对y轴方向位移的调整确保机械手5与档案摆放空隙严格对应。
59.档案库房的巡检采用可见光相机和红外热像仪实现，考虑到档案机器人的结构，巡检系统需要进行小型化设计。可见光相机用于自动抓拍库房内一体机、精密空调等设备的指示灯状态，并将采集图像发送至后台系统进行设备状态、漏水情况等的检测。红外热像仪用于对室内环境温度、设备温度等进行检测，并通过后台分析实现温度对比和智能预警。考虑到小型化的需要，可见光相机和红外热像仪均选用一体化机芯，可见光相机和红外热像仪均采用网络通信方式，进行一体化设计后可安装于手爪上方。
60.由于档案竖直摆放，如图4所示，机械手5采用夹持方式，有两个夹持爪片16组成，采用较大的夹持面积以保证夹持力。机械手5下方设置水平托架18，防止档案移动过程中发生掉落。机械手5上安装rfid读卡器17，用于对档案进行识别确认，以及用于档案盘点。机械手5上安装测距传感器15，用于测量机械手5与档案在x轴方向上的距离，保证机械手5与档案保持合适的距离，防止距离过近对档案造成损害，或者距离太远不能可靠抓取。根据功能需要，机械手5上还可以安装微型相机4，用于档案盘点时对摆放错误或缺失的档案进行抓图，方便工作人员进行复核。
61.机械手驱动机构用直流伺服电机，直角行星减速机，硬质齿轮齿条；导向用直线滑轨，用伺服电机转动带动减速机输出轴上的齿轮进行顺时针或逆时针的转动来使夹指进行张开或闭合动作，达到夹取档案和松开档案的目的。伺服电机选用扭矩控制模式，来保护夹持爪片16抓取档案时不伤害档案袋。行星减速机可把夹持爪片16运动时的噪音降到10分贝以内。如图4所示。
62.在档案盒标准化的基础上，为了确保机器人能够可靠的抓取档案，在档案摆放时预留出机械手5抓取档案的空间，需要构建适用于机器人抓取的档案存储仓。如图6所示，通过档案存储仓将档案架分为一列列的间隔，每一本档案都存放在间隔中，档案隔板20采用abs材质，厚度为3mm左右。每相邻两个档案之间留有5mm左右的间隙，可方便机械手5插入档案两侧完成档案抓取动作。档案仓底部支撑厚度为10mm，中间空隙为30mm，用于机械手5水平支撑托架从档案底部插入托起档案。每个档案仓总宽度与档案架每个间隔的宽度一致，约为900mm，因此每个档案仓可存放15本档案左右。考虑到档案架设计加工的标准化，降低档案库房建设成本，以及未来升级改造方便，将档案存储仓设计为分离式结构，对于需要档案机器人抓取的档案库房，可将档案仓整体嵌入到档案架中；如果无需档案机器人抓取，可取走档案仓作为普通档案架使用。
63.rfid技术是一种非接触式、自动识别技术，可以通过无线信号识别特定目标并进行数据读写，标准的rfid系统主要由标签、阅读器以及天线组成。由于rfid具有一次可读取多个标签、穿透性强、多次读写、记忆容量大、成本低、体积小、使用方便、可靠性和寿命高等优点，广泛应用于档案、图书等的识别以及盘点等。
64.档案机器人采用无线充电方式，档案自动存取窗口背面设计为机器人待机充电区，空闲状态下机器人与自动存取设备处于对接状态，机器人待机充电。工作时，通过自动存取设备内部传输装置完成机器人与设备之间档案的传输，从而提高机器人工作效率，如图7所示。
65.由于机器人本体导航定位系统必然存在位置和姿态的误差，而且考虑到机器人装配过程中存在机械误差以及机械臂、机械手5存在的控制误差，都会对机械手5的位姿产生影响。而机械手5的微小位置或姿态的误差都可能导致档案抓取失败、甚至造成档案的损坏。
66.在理想情况下两本档案之间的间隔为5mm，以机械手5夹爪长度为20cm进行估算，且不考虑机械手5厚度，档案机器人抓取档案时，机械手5与档案的相对关系如图8所示。从图中可估算出，在机械手5与档案间隙严格对齐(姿态误差为0)的情况下，对机械手5的位置误差要求应不大于5mm；在机械手5位置误差为0的情况下，对机械手5的姿态误差要求应不大于1.43
°
。考虑到机械手5厚度约为2mm，档案摆放可能存在两侧不均匀的情况，档案盒由于档案数量的不同可能不是严格的长方体，以及机械手5的位置和姿态偏差可能同时存在，则对机械手5控制精度的要求更高。
67.当然，本实施例中给出的参数仅为示例性参数，并不代表其他实施例不可以对上述参数进行更改。
68.通过增加两本相邻档案之间的间隙可以有效降低对机械手5精度的要求，但是会降低档案架有效使用率。本实施例可以通过机械臂y轴的平移对机械手5的位置误差进行补偿，通过z轴的旋转对机械手5的姿态误差进行补偿，但是补偿的前提是对机械手5的位姿误差进行精确测量，为此，本实施例采用在机器人两侧安装高精度的测距传感器，检测机器人与档案架的相对位置以及平行度的方法。
69.然而，本项目中档案机器人需要对档案进行精确抓取，因此，机器人在档案盘点时，不但需要获取档案是否在架的状态，还需要获取档案在档案架一个间隔中的精确位置。rfid读取范围广的特点会造成同时扫描到多本档案的情况，给档案的精确定位造成困难。为此，经过深入调研，可以通过调制标签和读取天线的信号、功率等，将标签的识别范围控制在一个比较小的范围(比如5cm以内)，从而避免标签误读，缺点是导致标签读取距离太近，档案盘点时需要对机械手5进行专门控制。另外可以使用二维码代替rfid。
70.当然，在其他实施例中，可以依据具体情况更改上述实施例的各项参数，这些为本领域技术人员容易想到的替换方案，理应属于本发明的保护范围。
71.以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
72.上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不
需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。