裴東杰,秦營周,張 崢

(鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

書籍自動翻頁掃描裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

裴東杰,秦營周,張 崢

(鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

為實(shí)現(xiàn)已裝訂成冊的紙質(zhì)書籍自動翻頁，達(dá)到便于閱讀和自動掃描的目的，設(shè)計(jì)出了一套能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)翻動書頁、掃描輸出電子文檔的裝置.該裝置通過分解、模擬人手翻書的動作，利用機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)目的.通過樣機(jī)研制表明，該裝置能較好地實(shí)現(xiàn)書籍自動翻頁掃描的功能，并且其性能穩(wěn)定，操作簡單，大大減輕了文印場所書籍翻頁掃描作業(yè)的勞動強(qiáng)度，有著重要的實(shí)用價值.

書籍;自動翻頁;掃描;設(shè)計(jì)

0 引言

目前，已裝訂成冊的書籍掃描、復(fù)印的工作在不拆訂的情況下，近乎全部需要通過手動翻頁來完成[1]，僅有美國、瑞士等少數(shù)國家開發(fā)出相關(guān)產(chǎn)品[2]，且造價昂貴、體積較大，國內(nèi)仍處在研發(fā)階段[3]，暫無產(chǎn)品問世.文印店、圖書館、檔案室等眾多場所存在大量的書籍掃描、復(fù)印工作，完全靠手動翻頁來完成，勞動強(qiáng)度很大，且枯燥無味[4]，因此，筆者設(shè)計(jì)了一款用于減輕文印工作者勞動強(qiáng)度的書籍自動翻頁掃描裝置.該裝置由書本夾持機(jī)構(gòu)、翻書運(yùn)動機(jī)構(gòu)、電子控制系統(tǒng)、掃描存儲系統(tǒng)、檢測反饋系統(tǒng)等組成，以達(dá)到翻書快速穩(wěn)定、掃描質(zhì)量高、錯誤率低、操作方便的效果，有著重要的實(shí)用價值.

1 裝置方案介紹

該書籍自動翻頁掃描裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過機(jī)器模擬人手連續(xù)翻動書頁的動作，實(shí)現(xiàn)無人值守的書籍自動翻頁掃描作業(yè).首先，將連續(xù)翻動書頁的運(yùn)動進(jìn)行分解為：“壓—搓—翻—拍”4個循環(huán)往復(fù)的基本動作；其次，通過機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)依次完成以上4個基本動作；然后，建立整個運(yùn)動的控制系統(tǒng)；最后，通過軟件設(shè)計(jì)完成數(shù)據(jù)存儲、輸出工作.

2 運(yùn)動方案的設(shè)計(jì)

通過機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)書籍翻頁的各基本動作的方案設(shè)計(jì)是本研究的關(guān)鍵，每一個基本動作均可有多種方案來實(shí)現(xiàn)[5]，這里根據(jù)結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、運(yùn)行可靠的原則進(jìn)行選擇、設(shè)計(jì).

2.1 書本夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本裝置采用一個“V型支架”和兩個動作可控的“夾子”來完成.將書本攤開放置于支架上，考慮到書籍的厚度不同，尤其是較厚書籍?dāng)傞_后上下頁面的錯位現(xiàn)狀嚴(yán)重[6]，同時為方便書頁的翻動，通過實(shí)驗(yàn)確定“V型支架”的夾角為120°，即書籍左右頁面的夾角為120°.兩個由步進(jìn)電機(jī)控制、帶動的“夾子”對稱置于書籍的兩側(cè)，起到夾持書頁的作用，并能夠根據(jù)指令控制開合；同時，在“夾子”閉合夾緊的過程中，能夠給書頁一個向外張拉的摩擦力，使書頁攤平.

2.2 翻書運(yùn)動結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

首先，采用摩擦系數(shù)適中的橡膠棒，利用滾動摩擦將書頁“搓”起，利用同步帶將動力電機(jī)傳遞給摩擦輪，同時摩擦輪上要有一定配重，以保證其摩擦力大小能夠?qū)摗按辍逼?，配重的大小由?shí)驗(yàn)確定.然后，利用“跳針”插入已“搓”起的書頁下，“跳針”沿“V型軌道”移動將書頁翻至另一側(cè)，然后跳針縮回.“跳針”和“V型軌道”的模型如圖1、2所示，“跳針”是一根細(xì)而長的金屬軸，一端設(shè)軸肩，另一端帶螺紋用于裝螺母，軸上套一個直徑稍大于軸但小于螺母的彈簧，末端用螺母鎖住，通過“跳針”軸肩所處導(dǎo)軌層次的改變，借助彈簧的回復(fù)彈力，形成跳針末端的伸出與縮進(jìn)運(yùn)動；“V形導(dǎo)軌”有兩個分層，即軌道1和軌道2，如圖3所示，兩個軌道之間以類似于吊橋的形式相切合，其另一端和軌道1鉸接.如此即可保證跳針向左滑動時只能在軌道1上且末端縮進(jìn)，向右滑動時只能在軌道2上，且末端伸出.最后，配合“夾子”的開合，完成整個翻書動作.

圖1 跳針Fig.1 Skipping stitch

圖2 V型軌道Fig.2 The “V” track

圖3 V型導(dǎo)軌模型Fig.3 Model of the ”V” tract

3 電子控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電子控制系統(tǒng)的硬件主要由以下元件構(gòu)成：1臺PC機(jī)，1塊STC12C56控制芯片，3塊步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，5個步進(jìn)電機(jī)，3個舵機(jī)，5個光電編碼器，1個紅外傳感器，2個高清攝像頭.控制的核心部分為對步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制，還有紅外傳感器的檢測，舵機(jī)的控制，與PC機(jī)的雙機(jī)通信等模塊.

紅外傳感器的檢測是翻頁程度檢測的方式之一(另一種為頁碼的機(jī)器視覺檢測)[7]，若橡膠棒轉(zhuǎn)動將書頁成功搓起，紅外傳感器的探頭即被遮擋，“搓書”動作停止，否則，橡膠棒將會持續(xù)轉(zhuǎn)動，直到書頁被翻起.

在“跳針”運(yùn)動時，伴隨有一定幅度的圓弧運(yùn)動，選用舵機(jī)作為動力器件，該控制系統(tǒng)選用的STC12C56單片機(jī)可以輸出4路硬件PWM，可以完成4個舵機(jī)的控制，從而保證翻書機(jī)構(gòu)圓弧運(yùn)動的順利進(jìn)行.

4 掃描存儲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

掃描系統(tǒng)主要包括可調(diào)節(jié)的攝像頭支架和高清攝像頭，攝像頭支架是用來帶動并調(diào)節(jié)攝像頭的方位，以便于在合適的位置掃描書頁.攝像頭是由電腦驅(qū)動，在系統(tǒng)運(yùn)行時，每當(dāng)翻頁動作完成后，單片機(jī)便會向上位機(jī)發(fā)送翻頁完成信號和請求圖像采集的控制信號；而上位機(jī)在圖像采集完畢后，刷新界面顯示，并保存當(dāng)前攝像頭捕捉到的畫面，同時會向下位機(jī)發(fā)送拍攝圖像完畢，允許系統(tǒng)繼續(xù)執(zhí)行翻頁的信號，使得下一次翻頁繼續(xù)進(jìn)行，以此為一個周期，循環(huán)往復(fù).當(dāng)頁面掃描工作全部完成后，點(diǎn)擊“導(dǎo)出PDF文件”按鈕，程序?qū)⑴臄z到的所有圖像保存為一個PDF文檔.

此控制系統(tǒng)與PC機(jī)之間選用RS232通信，通信距離較短，數(shù)據(jù)簡單，穩(wěn)定可靠[8].程序基于Qt框架開發(fā)，具有良好的移植能力，通過簡單的修改即可實(shí)現(xiàn)在多個平臺上運(yùn)行；攝像頭控制部分采用OpenCV開源計(jì)算機(jī)視覺處理庫進(jìn)行控制，為未來可能增加的頁碼OCR識別做好準(zhǔn)備.

5 檢測反饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

針對翻頁掃描過程中可能會出現(xiàn)漏頁的情況，設(shè)計(jì)了一個用于漏頁補(bǔ)全的檢測反饋系統(tǒng)，程序流程如圖4所示.程序讀取PDF文檔后，需用戶手動剔除目錄頁、附錄頁等不存在頁碼或者頁碼與正文重復(fù)的部分，之后由用戶設(shè)定正文頁碼在書頁中的位置；在完成這些預(yù)備工作后，程序?qū)倪M(jìn)行頁碼識別的部分中隨機(jī)抽取幾張完成頁碼識別，根據(jù)識別結(jié)果用戶可以選擇重設(shè)頁碼所在范圍；在確認(rèn)頁碼所在范圍設(shè)置準(zhǔn)確后，程序采用隨機(jī)算法確定頁碼缺失情況，并直觀地反饋給用戶；由于受OCR識別算法的準(zhǔn)確度限制，有可能出現(xiàn)無法確定缺失頁面的具體頁碼的情況，程序會提示用戶手動確定無法識別頁面的頁碼，直到所有缺失頁都可以被程序確定下來；之后需要用戶將這些缺失頁手動掃描出來，并添加到程序中，在這些工作完成后，系統(tǒng)便可生成一個完整的PDF文檔.

圖4 程序流程圖Fig.4 Program flow chart

6 樣機(jī)及操作方式

完成的書籍自動翻頁掃描裝置的樣機(jī)，如圖5所示，其主要參數(shù)如下：規(guī)格：700 mm×400 mm×500 mm；適用對象：主流紙質(zhì)的已裝訂書籍(包括硬脊書籍)；翻頁速度：≥0.7 s/頁；掃描速度：<0.1 s/頁；輸出文檔格式：PDF；翻頁掃描過程錯誤率：<3%；文檔最終錯誤率：<0.1%.

圖5 樣機(jī)Fig.5 The model

裝置操作簡單方便，將待掃描的書本放在“V型支架”上，翻至掃描的起始頁面，成120°攤開，

并用“夾子”加持，打開開關(guān)，在電腦操作界面中輸入需掃描的總頁碼數(shù)，點(diǎn)擊開始按鈕，即可實(shí)現(xiàn)自動翻頁掃描；翻頁掃描結(jié)束，再根據(jù)電腦操作界面的提示，剔除不需要的頁面，補(bǔ)全遺漏的頁面；確認(rèn)掃描信息無誤后，便可以在電腦上得到對應(yīng)書籍的PDF文檔.

7 結(jié)論

筆者設(shè)計(jì)了一套能夠?qū)σ蜒b訂書籍自動翻頁掃描的裝置，運(yùn)行穩(wěn)定高效，操作簡單方便，整套設(shè)備設(shè)計(jì)精巧，控制精準(zhǔn)，應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)和紅外漏翻檢測技術(shù)的雙重反饋，保證自動翻頁掃描的快速進(jìn)行.該裝置能夠很大程度上減輕文印工作者書籍掃描、復(fù)印的勞動強(qiáng)度，可為高校圖書館、小型出版社、文印店等場所帶來極大的便利，具有很高的實(shí)用價值.

[1] 冶建科, 趙群飛, 周毅, 等. 一種自動翻頁掃描機(jī)器人的研制[J]. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用, 2009(1): 30-33.

[2] RICOH A. 自動翻頁復(fù)印機(jī)樣品[J]. 今日電子, 1994(9): 81-82.

[3] 王銀彪. 譜臺翻頁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), 1997(1): 41-42.

[4] 胡東平. 自動翻頁掃描儀控制系統(tǒng)的研究[D]. 長沙:湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院, 2011.

[5] 楊黎明, 楊志勤. 機(jī)構(gòu)選型與運(yùn)動設(shè)計(jì)[M]. 北京:國防工業(yè)出版社, 2007.

[6] 毛榮滋. 自動翻譜器——改變千百年來傳統(tǒng)的手翻樂譜方式[J]. 樂器, 2009(2): 122-123.

[7] 宜亞麗，武岳，趙三猛，等.全自動可調(diào)式翻頁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用，2011(6)：79-81.

[8] 李笑梅，任延?xùn)|，曹沛新.基于PLC的圖書自動掃描系統(tǒng)的研究[J]. 白城師范學(xué)院學(xué)報，2013，27(5)：33-36.

Design and Application of an Automatic Page Turning and Scanning Device

PEI Dong-jie, QIN Ying-zhou, ZHANG Zheng

(School of Mechanical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

In order to realize bound paper books turn pages automatically to facilitate reading and scanning， a device which can realize continuous pages turning, scanning and outputting electronic document is designed. Through decomposing, simulating the action of pages turning, and using the mechanical structure and control system, the device achieves the design goal. It is shown that the device can fulfill automatic turn pages and scanning by making prototype. It has stable performance, simple operation, and can reduce the labor intensity of books scanning greatly, which has important practical value.

book; automatic page turning; scanning; design

2014-07-01；

2013-10-09

河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(122102210090)

裴東杰(1987-)男，河南商丘人，鄭州大學(xué)實(shí)驗(yàn)員，碩士，研究領(lǐng)域?yàn)镃AD/CAM,數(shù)字化設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)，光機(jī)電一體化設(shè)備開發(fā)，E-mail:peidongjie@zzu.edu.cn.

1671-6833(2015)01-0122-03

TH122；TP23

A

10.3969/j.issn.1671-6833.2015.01.029