一種智能鋪地板一體機(jī)的設(shè)計(jì)

高振華　顧宗磊　李之培

摘要

針對(duì)房屋內(nèi)的鋪放地板工作主要是由人工來完成，消耗勞動(dòng)力大，耗費(fèi)時(shí)間長等問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了智能鋪地板一體機(jī)，智能鋪地板一體機(jī)是以arduino r3開發(fā)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)撒放水泥、自動(dòng)鋪放地板、自動(dòng)轉(zhuǎn)向等功能，可省時(shí)高效的完成整間房屋或整個(gè)車間的鋪放地板工作，投入生產(chǎn)后，能夠節(jié)約公司消耗成本，提高工人工作效率，帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞： Arduino、鋪地板機(jī)、自動(dòng)化、建筑業(yè)

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(chǎn)品簡介

本產(chǎn)品是設(shè)計(jì)一款代替人工完成鋪放地板工作的機(jī)器， 初步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如下圖

下方的灑水泥裝置可自動(dòng)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(dāng)機(jī)器檢測(cè)到墻壁時(shí)，麥克納姆輪配合全向輪通過驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)左（右）方平移操作隨后直流減速電機(jī)來轉(zhuǎn)動(dòng)云臺(tái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器上方鋪地板裝置的轉(zhuǎn)向操作，達(dá)到一灑一放的工作目的。

2. 研發(fā)背景

   1. 國內(nèi)：國內(nèi)目前鋪地板工作主要是由人工手動(dòng)鋪設(shè)，不僅耗費(fèi)時(shí)間長，而且工人在長時(shí)間彎腰勞動(dòng)的情況下，身體患病率有所增加，并且國內(nèi)建筑行業(yè)持續(xù)攀升，樓房數(shù)量不斷增加，關(guān)于鋪放地板的設(shè)備還沒有出現(xiàn)，很少有能夠生產(chǎn)類似這種鋪放地板設(shè)備的知名品牌，很少有完全能成系統(tǒng)的生產(chǎn)這種設(shè)備的專業(yè)工廠，能夠成套供應(yīng)這種設(shè)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?？傮w來說，中國關(guān)于鋪放地板的智能設(shè)備市場(chǎng)上處于發(fā)展階段，并且沒有特征明顯的灑泥加鋪放地板為一體設(shè)備。^[i]

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

3. 應(yīng)用前景

機(jī)械智能化是一個(gè)近幾年興起的概念，具有極大的發(fā)展?jié)摿痛笃目瞻资袌?chǎng)^[ii]，本產(chǎn)品的高性價(jià)比和較為完善的基礎(chǔ)功能符合高效大面積鋪放地板的要求，該產(chǎn)品一臺(tái)機(jī)器可獨(dú)自完成一個(gè)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(shí)高效的完成鋪放地板工作。當(dāng)面對(duì)突如其來的災(zāi)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(fēng)險(xiǎn)，所以本產(chǎn)品有足夠的擴(kuò)展能力，能夠適應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展，用機(jī)器來代替人力完成鋪放地板工作。

4. 總體方案設(shè)計(jì)

主體長寬高：60×60×900（cm）

適應(yīng)鋪放地板大小：0-50×50（可調(diào)）

作業(yè)效率：每3分鐘鋪一塊地板

代替人工數(shù)：1：5

智能鋪地板一體機(jī)是以arduino r3開發(fā)板和單片機(jī)為核心，使用搖桿模塊、NRF24L01無線通信模塊通過串口通信進(jìn)行無線遙控，通過L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)板控制四個(gè)31ZY-550減速電機(jī)，以此控制機(jī)器前行。此外麥克納姆輪通過驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)向左（右）方平移操作并且JGY-370直流減速電機(jī)來轉(zhuǎn)動(dòng)云臺(tái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器上方的轉(zhuǎn)向操作，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)地板鋪放裝置移動(dòng)裝置到達(dá)需要鋪放地板位置的上方，隨后推桿電機(jī)帶動(dòng)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(dòng)器就會(huì)到達(dá)地板鋪放的位置，對(duì)地板進(jìn)行震動(dòng)，使地板鋪的更加均勻平整。

5. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

行進(jìn)模塊（9、10構(gòu)成）：機(jī)器使用麥克納姆輪，以arduino和單片機(jī)為技術(shù)核心，使用搖桿模塊、NRF24L01無線通信模塊通過串口通信進(jìn)行無線遙控，通過L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)板控制550減速電機(jī)，以此控制機(jī)器前行。

撒水泥模塊（6、7、8構(gòu)成）：機(jī)器內(nèi)部裝有水泥槽，四周的擋板固定在舵機(jī)上，在驅(qū)動(dòng)板控制下實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)向模塊（5、9、10構(gòu)成）：以向右轉(zhuǎn)為例，車輪在arduino控制板的控制下， 調(diào)節(jié)麥克納姆輪配合全向輪實(shí)現(xiàn)向右平移。

鋪地板裝置轉(zhuǎn)向模塊（4、11構(gòu)成）：鋪地板裝置由一個(gè)JGY-370減速電機(jī)配合云臺(tái)帶動(dòng)，在arduino控制可以進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)，并且鋪地板裝置下方有四個(gè)1.25寸萬向輪，使鋪地板裝置傳動(dòng)的更加流暢，進(jìn)而使機(jī)器自動(dòng)化平移并完成鋪放地板工作。

地板取放模塊（2構(gòu)成）：取放裝置是由真空泵、電磁閥、真空泵吸盤構(gòu)成，在arduino r3的驅(qū)動(dòng)下控制脈沖寬度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取放操作。

地板上升下降模塊（3、13構(gòu)成）：地板放在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的亞克力板上，當(dāng)吸盤吸附瓷磚后，亞克力板板在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)向下移動(dòng)，當(dāng)取放裝置回來后，亞克力板又在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下向上移動(dòng)，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(gè)直線導(dǎo)軌滑塊上，使亞克力板在絲桿點(diǎn)擊的帶動(dòng)下移動(dòng)更光滑、更流暢。

伸縮模塊（2構(gòu)成）：地板取放裝置固定在推桿電機(jī)上，可通過推桿電機(jī)實(shí)現(xiàn)不同高度的伸縮操作。

地板移動(dòng)模塊（1、12、14構(gòu)成）：地板移動(dòng)裝置是由步進(jìn)電機(jī)、固定板、移動(dòng)板構(gòu)成，當(dāng)取放裝置吸附瓷磚后，步進(jìn)電機(jī)在arduino的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)移動(dòng)板移動(dòng)，取放裝置則會(huì)根據(jù)固定板的軌道到達(dá)鋪放位置的上方，該操作可實(shí)現(xiàn)不同地板大小，不同鋪放高度的平移操作。

簡述工作過程

機(jī)器啟動(dòng)，機(jī)器向前行進(jìn)過程中，后方的舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(dāng)機(jī)器向前行進(jìn)的距離是一塊地板磚鋪放地距離時(shí)，機(jī)器停止前進(jìn)。

機(jī)器上方的鋪地板裝置開始工作，首先步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)地板上升，推桿電機(jī)帶動(dòng)的吸盤裝置牢牢地吸附地板，隨后步進(jìn)電機(jī)下降，側(cè)面步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)移動(dòng)板將推桿電機(jī)和地板運(yùn)送到所需要鋪放地板位置的上方。

推桿電機(jī)將地板平穩(wěn)的放下，并上升下降重復(fù)操作，將地板放平。

當(dāng)機(jī)器檢測(cè)到前方的距離不足以鋪下一塊地板的情況下，云臺(tái)帶動(dòng)上方鋪地板裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，麥克納姆輪配合全向輪進(jìn)行平移（此時(shí)后方舵機(jī)帶動(dòng)擋板下降，側(cè)面舵機(jī)帶動(dòng)擋板上升，完成灑水泥過程，轉(zhuǎn)向操作完成的鋪地板裝置重復(fù)鋪放地板工作），當(dāng)機(jī)器鋪下側(cè)面的地板后，機(jī)器再一次進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，接著完成下一行的鋪放地板工作，以達(dá)到一灑一放的工作狀態(tài)。

1. 1. 創(chuàng)新點(diǎn)與項(xiàng)目特色

本機(jī)器可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)撒泥、自動(dòng)鋪地板、自動(dòng)轉(zhuǎn)向等操作，大大解放了勞動(dòng)力，無需人工操作即可鋪放整個(gè)房屋的鋪放地板工作。^[iii]

鋪放地板時(shí)的地板移動(dòng)裝置是由步進(jìn)電機(jī)、固定板、移動(dòng)板構(gòu)成，當(dāng)取放裝置吸附瓷磚后，步進(jìn)電機(jī)在arduino的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)移動(dòng)板移動(dòng)，取放裝置則會(huì)根據(jù)固定板的軌道到達(dá)鋪放位置的上方，該操作可以通過arduino來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)不同大小地板和不同鋪放高度的平移操作 ，并且結(jié)構(gòu)簡便，造價(jià)低，節(jié)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(chǎng)地輕松控制窗開關(guān)。^[iv]

利用Arduino UNO R3開發(fā)板的串口通訊功能，與其他產(chǎn)品進(jìn)行通訊組網(wǎng)控制^[v]，日后可以擴(kuò)展控制其他家具產(chǎn)品，使智能家居更加完善。

機(jī)器的四周裝有傳感器，當(dāng)檢測(cè)到墻壁時(shí)，^[vi]行進(jìn)的麥克納姆輪可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)向左（右）方平移操作，同時(shí)由JGY370減速電機(jī)帶動(dòng)云臺(tái)實(shí)現(xiàn)上方鋪地板裝置的轉(zhuǎn)向操作，大大提高了工作效率。

6. 設(shè)計(jì)圖紙

7. 結(jié)語

在設(shè)備智能化自動(dòng)化的背景下， 生活中的方方面面都急需自動(dòng)化設(shè)備，人工鋪放地板耗時(shí)又費(fèi)力，而且增加了鋪地板工人患病的風(fēng)險(xiǎn)。本產(chǎn)品只需要一個(gè)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(xiàn)在市場(chǎng)上基本都是人工來鋪放地板，代替^[vii]人力鋪地板的機(jī)器少之又少，所以次作品的市場(chǎng)前景非常廣闊。機(jī)械制造在當(dāng)今社會(huì)仍然是一個(gè)重點(diǎn)工程，所以本產(chǎn)品在自動(dòng)化機(jī)械方面的發(fā)展方向非常好。

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