高振华　顾宗磊　李之培

摘要

针对房屋内的铺放地板工作主要是由人工来完成，消耗劳动力大，耗费时间长等问题，我们设计了智能铺地板一体机，智能铺地板一体机是以arduino r3开发板为核心，主要由洒水泥装置和铺放地板装置两部分组成，能实现自动撒放水泥、自动铺放地板、自动转向等功能，可省时高效的完成整间房屋或整个车间的铺放地板工作，投入生产后，能够节约公司消耗成本，提高工人工作效率，带来显著的经济效益和社会效益。

关键词： Arduino、铺地板机、自动化、建筑业

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. 產品简介

本产品是设计一款代替人工完成铺放地板工作的机器， 初步设计结构如下图

下方的洒水泥装置可自动洒落水泥并使水泥扑洒均匀，随后上方的铺放地板装置完成铺放地板工作，当机器检测到墙壁时，麦克纳姆轮配合全向轮通过驱动模块实现左（右）方平移操作随后直流减速电机来转动云台实现机器上方铺地板装置的转向操作，达到一洒一放的工作目的。

2. 研发背景

   1. 国内：国内目前铺地板工作主要是由人工手动铺设，不仅耗费时间长，而且工人在长时间弯腰劳动的情况下，身体患病率有所增加，并且国内建筑行业持续攀升，楼房数量不断增加，关于铺放地板的设备还没有出现，很少有能够生产类似这种铺放地板设备的知名品牌，很少有完全能成系统的生产这种设备的专业工厂，能够成套供应这种设备的厂商更少，因此用户大多选择由人工来完成铺放地板工作。总体来说，中国关于铺放地板的智能设备市场上处于发展阶段，并且没有特征明显的洒泥加铺放地板为一体设备。^[i]

   2. 国外：国外目前针铺放地板设备的研究也只限于发展阶段，能够铺放地板的设备少之又少，而且像我们这类可以自主铺设整个房屋的铺放地板机器更少微乎其微，大多数都是由人工来借助一些设备来铺放地板，并不能做到机器全自主运行来完成铺放地板工作。

3. 应用前景

机械智能化是一个近几年兴起的概念，具有极大的发展潜力和大片的空白市场^[ii]，本产品的高性价比和较为完善的基础功能符合高效大面积铺放地板的要求，该产品一台机器可独自完成一个车间或一件房屋的地板铺放工作，与人工铺放地板相比，可省时高效的完成铺放地板工作。当面对突如其来的灾害（例如：新型冠状病毒），在没有降低工作效率的前提下，减少了人员的参与，降低了感染疾病的风险，所以本产品有足够的扩展能力，能够适应市场发展，用机器来代替人力完成铺放地板工作。

4. 总体方案设计

主体长宽高：60×60×900（cm）

适应铺放地板大小：0-50×50（可调）

作业效率：每3分钟铺一块地板

代替人工数：1：5

智能铺地板一体机是以arduino r3开发板和单片机为核心，使用摇杆模块、NRF24L01无线通信模块通过串口通信进行无线遥控，通过L298N电机驱动板控制四个31ZY-550减速电机，以此控制机器前行。此外麦克纳姆轮通过驱动模块实现向左（右）方平移操作并且JGY-370直流减速电机来转动云台实现机器上方的转向操作，步进电机带动地板铺放装置移动装置到达需要铺放地板位置的上方，随后推杆电机带动吸盘将瓷砖放入指定位置，并且在取放装置回到初始吸地板的位置后，震动器就会到达地板铺放的位置，对地板进行震动，使地板铺的更加均匀平整。

5. 系统硬件设计

行进模块（9、10构成）：机器使用麦克纳姆轮，以arduino和单片机为技术核心，使用摇杆模块、NRF24L01无线通信模块通过串口通信进行无线遥控，通过L298N电机驱动板控制550减速电机，以此控制机器前行。

撒水泥模块（6、7、8构成）：机器内部装有水泥槽，四周的挡板固定在舵机上，在驱动板控制下实现上升和下降，洒落水泥在通过固定在四周的锯齿状铁板来涂抹均匀。

车轮转向模块（5、9、10构成）：以向右转为例，车轮在arduino控制板的控制下， 调节麦克纳姆轮配合全向轮实现向右平移。

铺地板装置转向模块（4、11构成）：铺地板装置由一个JGY-370减速电机配合云台带动，在arduino控制可以进行360度旋转，并且铺地板装置下方有四个1.25寸万向轮，使铺地板装置传动的更加流畅，进而使机器自动化平移并完成铺放地板工作。

地板取放模块（2构成）：取放装置是由真空泵、电磁阀、真空泵吸盘构成，在arduino r3的驱动下控制脉冲宽度，进而实现自动取放操作。

地板上升下降模块（3、13构成）：地板放在步进电机驱动的亚克力板上，当吸盘吸附瓷砖后，亚克力板板在步进电机的带动下实现向下移动，当取放装置回来后，亚克力板又在步进电机的带动下向上移动，方便吸盘来完成吸附地板的操作，并且亚克力板固定在四个直线导轨滑块上，使亚克力板在丝杆点击的带动下移动更光滑、更流畅。

伸缩模块（2构成）：地板取放装置固定在推杆电机上，可通过推杆电机实现不同高度的伸缩操作。

地板移动模块（1、12、14构成）：地板移动装置是由步进电机、固定板、移动板构成，当取放装置吸附瓷砖后，步进电机在arduino的驱动下带动移动板移动，取放装置则会根据固定板的轨道到达铺放位置的上方，该操作可实现不同地板大小，不同铺放高度的平移操作。

简述工作过程

机器启动，机器向前行进过程中，后方的舵机转动挡板上升，水泥槽里的水泥洒落到地面上，随后锯齿状挡板将洒落的水泥扑洒均匀，当机器向前行进的距离是一块地板砖铺放地距离时，机器停止前进。

机器上方的铺地板装置开始工作，首先步进电机带动地板上升，推杆电机带动的吸盘装置牢牢地吸附地板，随后步进电机下降，侧面步进电机带动移动板将推杆电机和地板运送到所需要铺放地板位置的上方。

推杆电机将地板平稳的放下，并上升下降重复操作，将地板放平。

当机器检测到前方的距离不足以铺下一块地板的情况下，云台带动上方铺地板装置进行旋转，麦克纳姆轮配合全向轮进行平移（此时后方舵机带动挡板下降，侧面舵机带动挡板上升，完成洒水泥过程，转向操作完成的铺地板装置重复铺放地板工作），当机器铺下侧面的地板后，机器再一次进行旋转，接着完成下一行的铺放地板工作，以达到一洒一放的工作状态。

1. 1. 创新点与项目特色

本机器可实现自动撒泥、自动铺地板、自动转向等操作，大大解放了劳动力，无需人工操作即可铺放整个房屋的铺放地板工作。^[iii]

铺放地板时的地板移动装置是由步进电机、固定板、移动板构成，当取放装置吸附瓷砖后，步进电机在arduino的驱动下带动移动板移动，取放装置则会根据固定板的轨道到达铺放位置的上方，该操作可以通过arduino来控制电机的转动来实现不同大小地板和不同铺放高度的平移操作 ，并且结构简便，造价低，节约成本。

可以通过遥控控制窗口开闭，可以在家中或厂房中等任意需要铺放地板的场地轻松控制窗开关。^[iv]

利用Arduino UNO R3开发板的串口通讯功能，与其他产品进行通讯组网控制^[v]，日后可以扩展控制其他家具产品，使智能家居更加完善。

机器的四周装有传感器，当检测到墙壁时，^[vi]行进的麦克纳姆轮可实现自动向左（右）方平移操作，同时由JGY370减速电机带动云台实现上方铺地板装置的转向操作，大大提高了工作效率。

6. 设计图纸

7. 结语

在设备智能化自动化的背景下， 生活中的方方面面都急需自动化设备，人工铺放地板耗时又费力，而且增加了铺地板工人患病的风险。本产品只需要一个人控制就可以完成铺放地板工作，而且铺放地板效率高、效果好。并且现在市场上基本都是人工来铺放地板，代替^[vii]人力铺地板的机器少之又少，所以次作品的市场前景非常广阔。机械制造在当今社会仍然是一个重点工程，所以本产品在自动化机械方面的发展方向非常好。

参考文献

i^]行志娟.现代机械制造技术发展趋势[J].科技资讯，2019，17（33）：86+88.

ii^]杜出云.机电一体化技术在智能制造中的应用[J].装备维修术，2019（04）：72.

iii^]张靖宇.智能制造时代机械设计技术思考[J].内燃机与配件，2020（04）：194-195.

iv^]陈海燕，邵博，孙旋.关于智能制造时代机械设计技术的研究分析[J].科技创新与应用，2019（21）：157-158.

v^]汪錦玺.人工智能技术应用与发展趋势[J].科技资讯，2019，17（02）：29-30.

vi^]夏建荣.浅谈智能制造时代机械设计技术的研究[J].内蒙古煤炭经济，2019（21）：190.