一種智能鋪地板一體機的設計

高振華　顧宗磊　李之培

摘要

針對房屋內的鋪放地板工作主要是由人工來完成，消耗勞動力大，耗費時間長等問題，我們設計了智能鋪地板一體機，智能鋪地板一體機是以arduino r3開發板為核心，主要由灑水泥裝置和鋪放地板裝置兩部分組成，能實現自動撒放水泥、自動鋪放地板、自動轉向等功能，可省時高效的完成整間房屋或整個車間的鋪放地板工作，投入生產后，能夠節約公司消耗成本，提高工人工作效率，帶來顯著的經濟效益和社會效益。

關鍵詞： Arduino、鋪地板機、自動化、建筑業

Design of an Intelligent Flooring Machine

GAO Zhenhua GU Zonglei LI Zhipei

（Linyi University， Linyi， Shandong Province， 271100 China）

Abstract： In view of the problems that the floor laying work in the house is mainly done by manpower， which consumes a lot of labor and takes a long time， we designed an intelligent floor laying machine， which is based on arduino r3 development board and mainly consists of two parts： cement sprinkling device and floor laying device， which can realize the functions of automatic cement sprinkling， automatic floor laying and automatic steering， and can save time and efficiently to complete the floor laying work in the whole house or workshop.

Key Words： Arduino; Flooring; Automation; Construction

1. 產品簡介

本產品是設計一款代替人工完成鋪放地板工作的機器， 初步設計結構如下圖

下方的灑水泥裝置可自動灑落水泥并使水泥撲灑均勻，隨后上方的鋪放地板裝置完成鋪放地板工作，當機器檢測到墻壁時，麥克納姆輪配合全向輪通過驅動模塊實現左（右）方平移操作隨后直流減速電機來轉動云臺實現機器上方鋪地板裝置的轉向操作，達到一灑一放的工作目的。

2. 研發背景

   1. 國內：國內目前鋪地板工作主要是由人工手動鋪設，不僅耗費時間長，而且工人在長時間彎腰勞動的情況下，身體患病率有所增加，并且國內建筑行業持續攀升，樓房數量不斷增加，關于鋪放地板的設備還沒有出現，很少有能夠生產類似這種鋪放地板設備的知名品牌，很少有完全能成系統的生產這種設備的專業工廠，能夠成套供應這種設備的廠商更少，因此用戶大多選擇由人工來完成鋪放地板工作。總體來說，中國關于鋪放地板的智能設備市場上處于發展階段，并且沒有特征明顯的灑泥加鋪放地板為一體設備。^[i]

   2. 國外：國外目前針鋪放地板設備的研究也只限于發展階段，能夠鋪放地板的設備少之又少，而且像我們這類可以自主鋪設整個房屋的鋪放地板機器更少微乎其微，大多數都是由人工來借助一些設備來鋪放地板，并不能做到機器全自主運行來完成鋪放地板工作。

3. 應用前景

機械智能化是一個近幾年興起的概念，具有極大的發展潛力和大片的空白市場^[ii]，本產品的高性價比和較為完善的基礎功能符合高效大面積鋪放地板的要求，該產品一臺機器可獨自完成一個車間或一件房屋的地板鋪放工作，與人工鋪放地板相比，可省時高效的完成鋪放地板工作。當面對突如其來的災害（例如：新型冠狀病毒），在沒有降低工作效率的前提下，減少了人員的參與，降低了感染疾病的風險，所以本產品有足夠的擴展能力，能夠適應市場發展，用機器來代替人力完成鋪放地板工作。

4. 總體方案設計

主體長寬高：60×60×900（cm）

適應鋪放地板大小：0-50×50（可調）

作業效率：每3分鐘鋪一塊地板

代替人工數：1：5

智能鋪地板一體機是以arduino r3開發板和單片機為核心，使用搖桿模塊、NRF24L01無線通信模塊通過串口通信進行無線遙控，通過L298N電機驅動板控制四個31ZY-550減速電機，以此控制機器前行。此外麥克納姆輪通過驅動模塊實現向左（右）方平移操作并且JGY-370直流減速電機來轉動云臺實現機器上方的轉向操作，步進電機帶動地板鋪放裝置移動裝置到達需要鋪放地板位置的上方，隨后推桿電機帶動吸盤將瓷磚放入指定位置，并且在取放裝置回到初始吸地板的位置后，震動器就會到達地板鋪放的位置，對地板進行震動，使地板鋪的更加均勻平整。

5. 系統硬件設計

行進模塊（9、10構成）：機器使用麥克納姆輪，以arduino和單片機為技術核心，使用搖桿模塊、NRF24L01無線通信模塊通過串口通信進行無線遙控，通過L298N電機驅動板控制550減速電機，以此控制機器前行。

撒水泥模塊（6、7、8構成）：機器內部裝有水泥槽，四周的擋板固定在舵機上，在驅動板控制下實現上升和下降，灑落水泥在通過固定在四周的鋸齒狀鐵板來涂抹均勻。

車輪轉向模塊（5、9、10構成）：以向右轉為例，車輪在arduino控制板的控制下， 調節麥克納姆輪配合全向輪實現向右平移。

鋪地板裝置轉向模塊（4、11構成）：鋪地板裝置由一個JGY-370減速電機配合云臺帶動，在arduino控制可以進行360度旋轉，并且鋪地板裝置下方有四個1.25寸萬向輪，使鋪地板裝置傳動的更加流暢，進而使機器自動化平移并完成鋪放地板工作。

地板取放模塊（2構成）：取放裝置是由真空泵、電磁閥、真空泵吸盤構成，在arduino r3的驅動下控制脈沖寬度，進而實現自動取放操作。

地板上升下降模塊（3、13構成）：地板放在步進電機驅動的亞克力板上，當吸盤吸附瓷磚后，亞克力板板在步進電機的帶動下實現向下移動，當取放裝置回來后，亞克力板又在步進電機的帶動下向上移動，方便吸盤來完成吸附地板的操作，并且亞克力板固定在四個直線導軌滑塊上，使亞克力板在絲桿點擊的帶動下移動更光滑、更流暢。

伸縮模塊（2構成）：地板取放裝置固定在推桿電機上，可通過推桿電機實現不同高度的伸縮操作。

地板移動模塊（1、12、14構成）：地板移動裝置是由步進電機、固定板、移動板構成，當取放裝置吸附瓷磚后，步進電機在arduino的驅動下帶動移動板移動，取放裝置則會根據固定板的軌道到達鋪放位置的上方，該操作可實現不同地板大小，不同鋪放高度的平移操作。

簡述工作過程

機器啟動，機器向前行進過程中，后方的舵機轉動擋板上升，水泥槽里的水泥灑落到地面上，隨后鋸齒狀擋板將灑落的水泥撲灑均勻，當機器向前行進的距離是一塊地板磚鋪放地距離時，機器停止前進。

機器上方的鋪地板裝置開始工作，首先步進電機帶動地板上升，推桿電機帶動的吸盤裝置牢牢地吸附地板，隨后步進電機下降，側面步進電機帶動移動板將推桿電機和地板運送到所需要鋪放地板位置的上方。

推桿電機將地板平穩的放下，并上升下降重復操作，將地板放平。

當機器檢測到前方的距離不足以鋪下一塊地板的情況下，云臺帶動上方鋪地板裝置進行旋轉，麥克納姆輪配合全向輪進行平移（此時后方舵機帶動擋板下降，側面舵機帶動擋板上升，完成灑水泥過程，轉向操作完成的鋪地板裝置重復鋪放地板工作），當機器鋪下側面的地板后，機器再一次進行旋轉，接著完成下一行的鋪放地板工作，以達到一灑一放的工作狀態。

1. 1. 創新點與項目特色

本機器可實現自動撒泥、自動鋪地板、自動轉向等操作，大大解放了勞動力，無需人工操作即可鋪放整個房屋的鋪放地板工作。^[iii]

鋪放地板時的地板移動裝置是由步進電機、固定板、移動板構成，當取放裝置吸附瓷磚后，步進電機在arduino的驅動下帶動移動板移動，取放裝置則會根據固定板的軌道到達鋪放位置的上方，該操作可以通過arduino來控制電機的轉動來實現不同大小地板和不同鋪放高度的平移操作 ，并且結構簡便，造價低，節約成本。

可以通過遙控控制窗口開閉，可以在家中或廠房中等任意需要鋪放地板的場地輕松控制窗開關。^[iv]

利用Arduino UNO R3開發板的串口通訊功能，與其他產品進行通訊組網控制^[v]，日后可以擴展控制其他家具產品，使智能家居更加完善。

機器的四周裝有傳感器，當檢測到墻壁時，^[vi]行進的麥克納姆輪可實現自動向左（右）方平移操作，同時由JGY370減速電機帶動云臺實現上方鋪地板裝置的轉向操作，大大提高了工作效率。

6. 設計圖紙

7. 結語

在設備智能化自動化的背景下， 生活中的方方面面都急需自動化設備，人工鋪放地板耗時又費力，而且增加了鋪地板工人患病的風險。本產品只需要一個人控制就可以完成鋪放地板工作，而且鋪放地板效率高、效果好。并且現在市場上基本都是人工來鋪放地板，代替^[vii]人力鋪地板的機器少之又少，所以次作品的市場前景非常廣闊。機械制造在當今社會仍然是一個重點工程，所以本產品在自動化機械方面的發展方向非常好。

參考文獻

i^]行志娟.現代機械制造技術發展趨勢[J].科技資訊，2019，17（33）：86+88.

ii^]杜出云.機電一體化技術在智能制造中的應用[J].裝備維修術，2019（04）：72.

iii^]張靖宇.智能制造時代機械設計技術思考[J].內燃機與配件，2020（04）：194-195.

iv^]陳海燕，邵博，孫旋.關于智能制造時代機械設計技術的研究分析[J].科技創新與應用，2019（21）：157-158.

v^]汪錦璽.人工智能技術應用與發展趨勢[J].科技資訊，2019，17（02）：29-30.

vi^]夏建榮.淺談智能制造時代機械設計技術的研究[J].內蒙古煤炭經濟，2019（21）：190.