装饰地面铺砖机器人本体设计说明书

泉州信息工程学院本科毕业设计本科毕业设计（2024届）题目：装饰地面铺砖机器人本体设计学生姓名李国帅学号2202830230二级学院机械与电气学院专业班级22机械专升本2班指导教师秦立庆填写日期2024年4月摘要伴随着全国城市化进程的高速发展，城市道路硬化的急剧增加，道路铺设缓慢是一项重大难题。就目前而言，建筑施工和道路铺设中的地面铺砖大多为手工铺设，少数的机械铺设也存在着许多缺陷，而且地面铺砖进度非常缓慢，因此研究一种高效率的结构稳定的铺砖机器人是非常有必要的。根据任务书的要求，设计制定出了一套科学合理的方案，本次的设计包含了图像处理技术、机械结构设计、和系统控制部分，首先是利用重力原理进行铺砖，进而采用图像处理技术对道路的宽度进行采集，并控制调整铺设的宽度。这种设计具有结构简单稳定、操作简便、维护方便、和高效率等特点。通过creo进行三维结构设计的建模仿真，并对主要零部件进行计算校核，对典型进行有限元分析，这样有利于提高系统的稳定性。关键词：铺砖机器人，地面，设计校核AbstractAlong

with

the

rapid

development

of

the

urbanization

process

in

the

country,

the

hardening

of

urban

roads

has

increased

dramatically

and

the

slow

laying

of

roads

is

a

major

problem.

At

present,

most

of

the

floor

paving

in

building

construction

and

road

paving

is

hand-laying,

and

a

few

mechanical

pavings

also

have

many

defects,

and

the

progress

of

paving

on

the

ground

is

very

slow.

Therefore,

a

high-efficiency

structurally

stable

automatic

shop

is

being

studied.

Brick

machine

is

very

necessary.

According

to

the

requirements

of

the

task

book,

a

set

of

scientific

and

rational

solutions

was

designed

and

developed.

This

design

includes

image

processing

technology,

mechanical

structure

design,

and

system

control.

The

first

is

to

use

the

principle

of

gravity

for

paving,

and

then

use

image

processing

technology.

Collect

the

width

of

the

road

and

control

the

width

of

the

paving.

This

design

has

the

characteristics

of

simpleand

stable

structure,

easy

operation,

easy

maintenance,

and

highefficiency.

Thethreedimensional

structural

design

and

simulation

through

creo,

and

the

main

components

for

calculation

and

verification,

typical

finite

element

analysis,

which

will

help

improve

the

stability

of

the

system.

Keywords:

Automation；System

control；Thedesignandchecking；

目录TOC\o"1-3"\h\u14789摘要 126662Abstract 2第94881章绪论 112481.1研究目的及意义 155631.1.1研究的目的 1139441.1.2研究的意义 1281021.2国内外研究现状 12521.2.1国内研究现状 1191791.2.2国外研究现状 255261.3研究内容 2252481.4预期结果及意义 3166551.5本章小结 3第120412章铺砖机器人结构设计和改进 4316082.1铺砖机器人方案分析 4318782.1.1方案研究 425492.1.2方案设想 494242.2铺砖机器人整体结构设计 5276442.3铺砖机器人方案工作原理 6275702.3.1砖舱 6224162.3.2传送带结构 7212252.3.3宽度调节铺砖结构 7第三章25654铺砖机器人零件选用 896523.1轴承选用 8170843.2正反牙滚珠丝杠 9169113.3电机与驱动选用 1041033.4顶推装置动力选用 1153053.5本章小结 11第9004章关键零部件计算校核 1298414.1关键零部件的校核计算 12322414.1.1轴的结构设计 12194684.1.2轴强度计算 13254944.2联轴器与轴承的选择 15226154.2.1联轴器的选择 15177054.2.2轴承的选择 16260774.3典型零件的有限元分析 17135564.3.1分析软件简介 17163934.3.2直线往复运动部件的受力分析 17209744.3.3顶推装置前段有限元分析 19282264.4本章小结 208429第5章铺砖机器人系统测试 21145735.1铺砖机器人系统构成 21194825.2铺砖机器人系统工作过程 22326355.3铺砖机器人系统测试 23254205.4铺砖机器人推广评估 24122715.5铺砖机器人系统总评 24194475.6本章小结 2429562第6章设计中考虑的安全与环保问题的分析 25122716.1安全问题的分析 25122716.2环保问题的分析 2529562第7章经济技术与成本分析 2629562第8章结论与展望 27178718.1结论 272938.2展望 2820819参考文献 2920131致谢 30 1绪论1.1研究目的及意义1.1.1研究的目的随着全国城市化的快速发展，众多地区的公共基础建设逐渐增加，国家建设的过程中一直坚持主张绿色环保无污染，因此把地砖铺设在人行道路上已经成为一种很普遍的现象。但现有的铺砖机在铺筑路面时，基本上都是人工对路面进行排砖，或者是多种车辆相互配合进行铺砖，这些不但费力且而效率不高。并且户外铺设还要受到天气、工地环境等各种不确定因素的影响，工人在进行铺砖工作时大多处于半蹲状态，长时间工作不但容易腰酸腿麻，而且工作效率也会随之慢慢降低，工程的进度就会受到影响而延期。根据相关行业的调查和研究表明，利用铺砖机器人不但可以节约大量的人力财力，而且还能够提高工作效率。所以本课题制定了一套铺砖机器人方案，以及设计了机械结构部分,用来替换人工铺设，提升工作效率，加快工程的进度。本课题侧重的是机械自动化部分的设计，及主要结构的改进进行分析研究。1.1.2研究的意义（1）自动化铺砖机不但提高了工作效率，而且解决了人工铺设地砖的诸多如体力消耗大，工程进度慢等缺点，并且还节省了大量人力财力，这种新的科技理念，有助于城市化进程的高速发展。（2）自动化铺砖机的技术不仅为公共基础建设提供了技术支持，而且是低能耗，低成本的一种设计，有助于促进节约可持续型社会的发展。综上可知，铺砖机器人是一种发展潜力极大，实际应用范围极广，并且符合节省人力，高效实用，有提高利用价值的功能。还有一定的不足需要以后深度研发。该课题拥有非常重要的研究意义。1.2国内外研究现状1.2.1国内研究现状2013年青岛大学公开了一种人行道铺砖机，其特征是，包括底盘，底盘两端分别有前轮和后，底盘中间设有砖舱，砖舱与铺砖斜轨连接，还有定滑轮，推手等机构。这种方式是把传统的弯腰半蹲式铺砖改为了现在的直立式行走铺砖[1]。在2011年王怀成提出了一种“智能铺砖机”设计方案，先利用先进传感技术和传感器等装置进行空间定位，再通过机械手臂上电动吸盘将砖块放到指定的位置[2]。然而现在人行道铺砖基本上还都是人工手工弯腰铺砖。随着各国城市化发展的急剧增强，各个地区基础的建设会慢慢齐全，砖路铺设工作量急剧增加，所以为了不影响发展，设计出一种新的铺砖机器人显得尤为重要。1.2.2国外研究现状德国Optimas公司设计了一系列使用液压为动力的砖石摊铺机，有液压砖石夹钳，液压路沿石夹钳，真空水泥摊铺机，液压砖缝填充机，液压轧制清扫机等。并切具有快速，安全，整洁能轻松的进行大面积的摊铺工作。在荷兰设计了一款名叫“虎石”的自动化铺砖机，“虎石”的秘密在于利用地心引力。施工时只需将砖块填装在一个成角度的斜槽，随着“虎石”前进砖块便自动码放在一起。通过操作虎石，人们便可以铺设出整齐完整的砖路[3]。使用砖石铺设的道路不但美观，而且还结实耐用，特别是使用透水砖铺设路面不仅可以减少路面积水问题，还能提高城市地下水位。所以自动化铺砖机的设计不仅节省了大量人力体力，而且简易的操作步骤会让工作变得更加的轻松。1.3研究内容本次课题是要设计一种铺砖机器人系统，通过利用重力，使得砖块在斜轨上的运动与机器本身产生的运动发生相对运动进行铺设。在此基础上增加图像处理技术，对要进行铺设路面的宽度进行实时采集，与宽度调节装置形成反馈。想比传统人工铺设提高了效率，降低施工成本。课题主要在以下几个方面展开研究：1.机械结构设计：设计出一套能够实现自动铺砖的机械结构方案。2.机械结构优化：在原来的基础结构设计上，对机械结构方案进行改进设计，以达到最完美设计。3.力学性能的分析：用creo分析软件对典型零件进行分析，是否设计的合理。4.零件的计算加工：对零件进行计算，绘制零图和三维工程图。5.系统的调试：装配完成后与控制系统进行同步协调。1.4预期结果及意义本次铺砖机器人设计经过合理的计算及调试，运行时结构性能稳定、铺砖效率高、并且对施工环境要求低等优点。机器在运行的工作过程中状态稳定，零部件使用时间久。该设备能够缓解一部分人力缺少的现状，而且设备基本上都是自动化的、所以就会节约时间，能够给施工单位节约大量的成本，还可以加快施工进度，缩短了工程的期限。本次铺砖机器人设计采用图像处理技术，并且与宽度调节机构进行了相连接，实现了实时调节，突破了施工环境的限制，做到实时调整，实时铺设，大大提高了铺设效率。通过研究该课题具有较广泛的发展与应用。1.5本章小结本章明确了本次课题的研究目的和意义，通过查阅分析了国内外有关铺砖机器人的发展现状，对于本次课题研究方案进行了一系列构想和设计。

2铺砖机器人结构设计和改进2.1铺砖机器人方案分析2.1.1方案研究铺砖机器人的主要工作地点是人行道和大型广场以及公园的道路块砖铺设，并且借鉴于国内外现在已经有的机器和发表的设计等技术方案，在这些基础上面研后进行改进和创新设计。因此本次课题是要设计出一款能够在图像处理方面并且能够自动化铺砖设备，因此只要设计出能够实现自动化铺砖原理的方案，并搭建简单出模型就算达到设计目第=地。本次设计的选材是用铝合金支架为设备结构的基本框架材料，有机玻璃为设备零件加工主要的材料，并设计独特的宽度调节铺砖装置，砖舱结构，砖块顶推装置，辊压装置以及传送带装置。以上的装置和结构是用来保证铺砖机器人施工时的能够稳定的工作，以及提高工作效率。2.1.2方案设想本课题为了能够让铺砖机器人受外界因素影响小，并且适应外界工作环境，所以该机器应该具有良好的工作稳定性，并且还要使用到规定的时间，这样就需要充分理解考虑清楚机械结构的力学性能，结构的稳定性和磨损等。现根据要求设计出如下方案，见图1.1。铺砖机器人的主要结构设计，分为以下六大部分，1结构主要包括传送带机构；2砖舱（直线往复机构，储砖机构）；3宽度调节机构（斜轨铺砖机构，滚珠丝杠）；4顶推机构；5滚压结构；6整体框架。并且每一部分都受系统的控制，并且之间相互协调。本次方案设计出的模型不但要符合自动铺设条件需求，而且还应该具有结构简单稳固、容易操作，易懂可以让新手快速的学会使用、并且其实用性要强、易于检修维护特点。本次设计将提供零件图纸，实物简易模型，并与控制系统相结合进行测试。图1.1铺砖机器人整体方案2.2铺砖机器人整体结构设计铺砖机器人结构设计的主要机械结构应包括下图中1顶推装置、2传送带机构、3宽度调节铺砖机构、4砖舱和5辊压装置。这五大部分的主要零部件有T10同送带、铝合金结构框架、滚珠丝杠、滑砖台、电动机、弹性联轴器、直线往复运动机构、砖箱、同步带轮、轴、宽度调节挡板、移动轮、圆锥滚子轴承座、和电机支座等。该机械设备工作时稳定性较强、操作简便，而且很好的使用了模块化的设计，这样安装会非常简单，调试也非常容易。该机械结构模型设计的三维装配图如下图2.1所示[4]。实物图见附录A，关键零件三视图纸见附录B。图2.1机械结构模型三维装配图2.3铺砖机器人方案工作原理2.3.1砖舱砖舱结构是由直线往复运动机构，砖箱和电机组成，如下图2.2所示。砖箱与直线往复运动机构通过螺栓或焊粘连接接。电机、直线往复运动机构两者之间是通过联轴器相连接。当电机通电运行时，直线往复运动机构就把电机的旋转的运动转换为直线运动的，并且带动砖箱来回运动，砖箱利用惯性和重力使的砖块从砖箱下的漏孔中落到滑台上。图2.2砖舱结构图该砖舱结构搭建于铝合金结构框架上，通过螺栓把直线往复运动机构周向固定，砖箱在框架上面能够随电机驱动直线往复运动机构来回回晃动，以此来实现工作目的。2.3.2传送带结构传送带结构是由T10同步皮带、滚筒、电动机、轴、深沟球轴承、弹性联轴器等组成。电机和轴两者之间通过联轴器连接，轴和滚筒两者之间通过螺栓紧接，滚筒和同步带之间是通过齿相互配合。电机提供动力通过轴带动滚筒转动，同而使同步带运动，同步带上的挡板把储砖舱中的砖运送到相应铺设的位置。传送带结构图如下图2.3所示。图2.3传送带结构图该传送带机构结构简单，搭建于结构框架上，主要是轴与带轮的配合，带轮与同步带的齿合。其特点有；同步带与带轮精度高，稳定性好，可以保证精准的把砖运转到指定的位置。可以由电机自动控制调，体现应该铺设的宽度。2.3.3宽度调节铺砖结构宽度调节机构与斜轨铺砖机构两大部分组成了宽度调节铺砖结构。它们由正滚珠丝杠、宽度调节档板、步进电机、深沟球轴承、摄像头和滑块斜轨、侧板等构成。正反牙滚珠丝杠上的滑块与宽度调节挡板用螺栓连接，宽度调节板紧贴在斜轨上。摄像头在设备的前段将所采集的道路宽度信息反馈给控制系统，在由控制系统进行相应的处理后调节步进电机的旋转量，进而来实现宽度调节。砖块在斜轨上实现砖块铺设工作是由于受到重力的作用发生相对运动。其结构图如图2.4所示。图2.4宽度调节铺砖结构图该机构结构简单，依附于结构框架上，并且直流电机和车轮直接连接，所以在直流电机驱动安装于底部的轮子使设备前行时避免传动误差。宽度调节机构的核心关键是滚珠丝杠和宽度调节挡板与图像处理系统之间的相互配合。其优点有：1.滚珠丝杠的精度非常的高，而且稳定性良好，因此可以保证摄像头所提取的道路宽度能够精准调节；2.可以实现自动化的宽度调节；3.直流电机驱动时的转速转速较低，有较大的扭矩，能够提高动力；4.设备转弯时可以利用差速控制原理实现；5.斜轨的模块化设计便于调节斜轨宽度；3铺砖机器人零件选用3.1轴承选用在铺砖机器人结构设计中，如图2.3所示，步进电机驱动带动滚筒轴转动，依据轴的设计尺寸要求以及承受的载荷力来计算，跟据设计的需求选用深沟球轴承，用立式轴承座安装于轴的两端，使轴能够平稳转动,降低在旋转中所受到摩擦力，承受径向的载荷，并且并保证转动的精度。轴承实物图如图2.5所示。图2.5深沟球轴承座图3.2正反牙滚珠丝杠滚珠丝杠是应用于各种行业的工业设备和精密仪器上的一种传动元器件。它的主要功能是将旋转的运动转化成为直线运动，而且传动精度高，具有摩擦阻力小，传动效率高和具有可逆性等特点，是将旋转运动转化为直线运动的最理想的结构[5]。特别是最近几年来，滚珠丝杠副作为数控机床上面的直线驱动工作单元，在机床这行业获得了普遍应用，这极大的鞭策了机床这个行业的数控化高速发展。这些都是因为其具有高传动效率、高的定位精度、传动性能可逆、使用时间长、而且其同步性能非常好。实物图如下图2.6所示。图2.6滚珠丝杠图3.3电机与驱动选用因为铺砖机器人结构的转动控制装置要非常精准并且稳定，所以找到一种精准控制的动力源就非常的重要。然而步进电机恰好能够依据给出的脉冲信号来实现精准的转动控制，而且也一定的制动转矩，所以步进电机的这些特性能够满足自动化铺砖机的工作要求。而且由于铺砖机器人的宽度调节机构需要有精准的位移，所以需要电动机能够随时的利用单片机对其他部件进行控制，并且要具有较大的静力矩。综上可得，应该选用的电机是步进电机[6]。如图2.7所示。电步进电机的控制还需要配合专用驱动器才能工作。如图2.8所示，本次结构设计通过查阅资料选用的是集成驱动器，该驱动工作时所允许的最大电流是3A，通过拨码可以进行多级调控，并且和单片机的连接性能非常好。电机和驱动器之间的相互配合使得电机的转矩较小，而且在低速运行时非常平稳且噪音低，步进电机的定位非常准确而且还有较大的力矩。图2.7步进电机图2.8集成驱动器3.4顶推装置动力选用顶推装置是由电动推杆和耙块构成，推杆与耙块两者之间焊接，能够实现对传送带上砖块的起到推动作用。电机推杆如图2.8所示。顶推装置具有以下几个优点：1.能够精确地控制且误差较小。能够长时间使用，并且没有累积误差，而且精准控制的控制系统，可以实现对砖块进行精准稳定推动。2.控制系统操作方便。该装置本质上为控制电机，因此控制简单高效，而且方便调试。3.种类型号较多，便于选择。还可依据推力的大小推动的距离等要求选型，实用范围极广。图2.8直流电机推杆3.5本章小结本章主要叙述的是铺砖机零部件结构的分析，包括宽度调节铺砖机构、砖舱、传送带结构等部分，明确了各个部件的机械结构和安装方法以及工作原理。并且知道了各个零部件之间相互协调配合过程，同时对于部分零件进行研究分析。通过查阅资料和文献对一些零件进项选用说明。通过分析可以更好的对整个系统进行研究和充分的理解，为了下一步的制作和装配与系统联调奠定了坚定的操作基础。

4关键零部件校核计算及有限元分析4.1关键零部件的校核计算4.1.1轴的结构设计1）轴零件的定位，固定和装配是采取非对称方式将滚筒放于轴右端，滚筒的左端采取的是轴肩定位，另一端面采用套筒固定，使用得润滑方式是脂润滑。阶梯轴通常采用的倒角是圆角（1~2）。为了便加工方便，安装与拆卸维修简单，所以两端轴承通常采用同一尺寸，为便于装拆轴承，轴承上轴肩不宜过高。2）确定轴的各段直径和长度（由左至右），初选轴径轴长为20cm，安装滚筒轴径为12mm，长为7cm，初选30110型号的轴承，内径为10mm，外径为20mm，宽度10mm。如图3.1所示。图3.1轴的结构图4.1.2轴强度计算已知：输出功率P=0.0029kw，转速n=3.62min/r，转矩T=6.435N/m。同步带轮分直径，按照弯扭合成的强度条件进行校核：力学模型图3.2如下所示。图3.2力学模型图转矩 ， 圆周力：，径向力：，轴向力：，水平支反力：垂直支反力：弯矩：总弯矩：M根据上述做出轴的载荷分布图3.3如下。M图3.3轴的载荷分布图取，，材料45钢调质，，可得出强度安全。精确的校核轴疲劳强度：如图3.2所示，分析得滚筒安装的右截面为危险截面。截面的右侧：抗弯曲截面的系数为：，抗扭转截面的系数为：，右侧的弯矩为：，截面上的扭矩；，截面上的弯曲应力，，扭转的切应力：，已知45钢的材料[7]参数为：抗拉强度极限， 弯曲疲劳强度， 剪切疲劳强度，在轴肩部位而发生的理论应力集中系数，用插值法可得：，材料敏感系数为：，所以有效应力集中系数按式：根据附图查得：，磨削加工，表面质量系数：，未经表面强化处理：，得综合系数为：碳钢的特性系数：取，于是，计算安全系数值：由上可得出右截面安全。同理可计算的左截面，故左截面安全[8]。4.2联轴器与轴承的选择4.2.1联轴器的选择已知；功率，转速，转矩，1)初选弹性柱销联轴器；载荷计算：转矩：N/m，查得：,所以，，2)类型选择：从GB/T5014-1995中，查得用GL7型弹性柱销联轴器，其许用转矩为630Nmm。允许最大转速为100r/m。配合轴径为12mm，轴孔长度为10mm。4.2.2轴承的选择根据根据条件，轴承预计寿命：小时。1)计算轴承，已知：转矩：，转速：，功率：。滚筒分度圆直径为74mm，滚筒上圆周力：滚筒上的径向力：滚筒上的轴向力：与联轴器相连，选取最小轴径为10mm，选用30110型号轴承其中：C=73200,,d=12，D=22,B=10.判断系数为0.35。2）初步计算当量动载荷p：根据参考文献表13-6得：，根据参考文献表13-5得：X=0.56，Y=1.3。则：。3）根据参考文献[3]13-6，求轴承应有的额定动载荷值：4）根据参考文献，及和C的值，选30110轴承，其中：C=73200,,d=12，D=22,B=10.5）验算如下：在此次验算中得到轴承的使用寿命为19325小时与预设计寿命19200相比得到结果可知：此轴承合格。4.3典型零件的有限元分析4.3.1分析软件简介本此设计中所采用的分析软件是工程三维绘制模拟中常用的CREO软件。该软件不但能够模拟仿真结构发生受力（应力/位移）形变等问题，而且还能够模拟如质量扩，热电偶分析散，热传导等别的工程领域中的许多问题。本次课题应用了其结构分析功能，分析了铺砖机器人中典型的关键零部件的受力后所产生的变化情况。4.3.2直线往复运动部件的受力分析铺砖机器人设备中的直线往复运动机构的零部件如图3.4所示，该零件受到砖箱的压力和电机运动时所受到的推拉力，因此对该零件进行有限元分析。直线往复运动机构有限元分析参数如表3.1所示。表3.1直线往复运动机构有限元分析参数材料弹性模量（N/m^2）泊松比质量密度(kg/m^3)拉力（N）重力（N）AL20142.12E+110.2887.86E+039050图3.4直线往复运动机构经过有限元分析得到如图3.5所示，可知直线往复运动机构在T型接口处受力形变较大，在加工时是此处应该加厚。其余各处无较大的形变，所以能满足设计要求。图3.5直线往复运动机构有限元分析图4.3.3顶推装置前段有限元分析铺砖机器人设备中的顶推装置前段的零部件图如图3.6所示，该部件承受电机的推力和和砖块的压力并且还有自身的重力。因此需进行有限元分析。有限元分析参数如表3.2所示。表3.2顶推装置前段有限元分析参数材料弹性模量（N/m^2）泊松比质量密度(kg/m^3)推力（N）重力（N·m）Q235-A2.11E+110.2666.86E+036030图3.6顶推装置前段图经过有限元分析得到结果如图3.7所示，由图可知顶推装置各个部分的受力形变较小也无应力集中和形变，能够满足设计要求。图3.7顶推装置前段有限元分析结果4.4本章小结本章对自动铺砖系统中的重要零部件进行了设计算校核，并且对关键的部件利用限元软件进行分析，验证零件设计的合理性。通过查阅机械设计书籍，学习巩固了相关校核的方法和计算公式。有限元分析很有效的检验了方案设计零件的安全合理科学性，保障了整个系统在工作中的稳定性。通过查阅相关资料文献在进行有限元分析的过程中，懂得了有限元分析处理后的结果图。 5铺砖机器人系统测试5.1铺砖机器人系统构成本课题在铺砖机器人结构方案设计完成之后，将会对铺砖机器人进行加工和装配，组装完成后将会安装控制系统并与图像处理系统进行同步联调测试。铺砖机器人上安装的系统主要分为，顶推装置机构系统和宽度调节铺砖系统、单片机控制系统及传送带系统、图像采集系统这五大系统[9]。控制系统之间相互的关系网络框架图如图4.1所示。图4.1铺砖机器人控制系统结构图像采集系统：该系统是利用摄像头采集道路宽度图像数据然后传输给Qt客户端模块(人机交互部分)并且实时显示出来，Qt客户端调用机器的视觉库(OpenCV)对图像进行一系列如：灰度转换、高斯滤波、图像二值化处理、基尔霍夫变换等等处理。提取出图像中需要的宽度数据，通过提取的信息反馈给STM32单片机控制系统部分，控制铺砖的宽度。单片机控制系统：该系统采用STM32单片机进行控制，在芯片中写入控制算法程序，实现对采集信号的处理,驱动步进电机1，从而实现对道路宽度的实时调节。通过驱动电动机2实现了对传送带机构系统的控制，通过驱动电动机3实现对顶推装置系统的控制。宽度调节铺砖系统：该系统利用电机驱动正反牙滚珠丝杠滑块运动，图像采集系统将宽度信息传递给STM32单片机系统，单片机发出信号脉冲给驱动器，电机1接受到定量脉冲，实现宽度调整。传送带机构系统：该系统的运行是通过STM32单片机给出信号控制驱动电机2转动同步带，把砖块运送到指定位置，实现运砖功能。顶推装置系统；该系统通过STM32单片机驱动电机3运动，把耙块推出进而把砖块推送到斜轨上，实现了顶推作用[10]。5.2铺砖机器人系统工作过程铺砖机器人结构设计吐如图4.2所示，包括电机1电机2，滚压棒4与机体8通过螺栓连接在后面，机体8底部设置有四个电机驱动轮15通过螺栓连接，机体后半部分有斜轨5和宽度调节机构的调节板6和滚珠丝杠7，中间部设置有储砖舱9和滑台10，储砖舱下连接传送带机构16，传送带机构边上有顶推装置3，机体8前端有砖箱结构11，砖箱11下端与直线往复运动机构12相连接，直线往复运动结构与电机13相连接。摄像头14在机体8前部。摄像头连接图像处理单元，图像处理单元连接单片机控制器，单片机控制器连接传送带机构、顶推装置装置、宽度调节机构和驱动电机。图5.2铺砖机器人结构图1.2.13电机，3顶推装置，4滚压棒，5斜轨，6宽度调节板，7滚珠丝杠，8机体，9储砖舱，10滑台，11砖舱，12直线往复运动机构，14摄像头，15电机驱动轮，16传送带机构铺砖机器人的工作控制方法包括以下步骤：第一步，摄像头提取预铺道路宽度的信息，并将预铺道路宽度信息传送到图像处理系统；第二步，图像处理系统将预铺道路的宽度信息经过一系列的转化变成脉冲信号；步骤三，图像处理系统将所需轮廓的长宽度发送至单片机处理中心；步骤四，单片机处理单元控制正反牙滚珠丝杠滑台7调整挡板6间的间距，使挡板6间的间距与预铺道路同宽；并且控制传送带机构16转动相应的圈数，使砖块的宽度相加与道路宽的宽的相等；步骤五，同时，电机13带动通过直线往复运动机构12使得砖舱11晃动，工程砖通过滑台10落入储砖舱9中，让传送带把砖带到相应的位置。步骤六，这是单片机给出一个人信号，使得顶推装置把砖推到斜轨上，通过光流算法得出当前砖块在铺砖斜轨5上的运动速度，单片机处理单元控制机体8前进，完成铺砖[12]。5.3铺砖机器人系统测试在铺砖机器人系统方案设计完成之后，进行图像处理部分与控制部分联调测试，通过CAM摄像头采集图像数据传输给Qt客户端模块并实时显示出来如图4.3所示，Qt调用机器视觉库(OpenCV)对图像进行例如：图像二值化处理、灰度转换、基尔霍夫变换、高斯滤波等。提取出图像中需要的宽度轮廓数据如图4.4所示，通过提取的轮廓信息反馈给STM32单片机控制部分，实现控制铺砖的宽度[11]。图4.3人机交互界面图4.4宽度采集5.4铺砖机器人推广评估不管什么机器或者设备在推广中都要进行一些市场调查，都要解决一些成本问题。对于铺砖机器人在推广应用的过程中，可能存在单价成本过高的问题，本课题针对于单价成本问题在社会上进行了市场调查，现将调查结果整理如下表4.1所示。现在假设一条人行横道为3000x3m为例，进行了一系列的预设，总面积为9000。路砖一般使用的规格为200x50x50mm,单块面积为0.01。表4.1道路铺设成本分析表铺设方式成本人工工价日均成本完成时间总成本人工铺设01080元/天800元12天7600元铺砖机器人5万280元/天300元（含电费）5天51500元由上表可以看出，由于铺砖机器人设备费用高，在铺设时间段，工程量小的铺路中，总成本会比人工铺设的总成本高出许多。但是如果是长期进行路砖的铺设的公司或者大型的公路工程就可购买铺砖机器人，在长时间进行铺路工作施工项目可以大大的降低成本，缩减建设费用节约了成本。5.5铺砖机器人系统总评经过系统测试的结果表明，本次设计的系统可以达到设计要求，并且工作过程中状态稳定、运行良好。总体而言，此模型具有最超前的想法、造价便宜，并且实现了图像处理技术和宽度调节铺砖机构两者之间的结合。该系统的推广使用将能为以后的设计研究提供技术支持，成为以后研究的基石，具有及其重要意义。5.6本章小结本章主要是对铺砖机器人系统的同步联调进行了阐述，明确了图像处理技术在设备中的重要作用，以及控制系统部分的工作流程，并对次设计搭建的模型的推广进行说明。虽然在进行调试的过程中碰到了一些困难，但是通过不懈努力，我们逐个攻破困难，终于完成了各部分的调试与整体的联调工作，并且对后期发展进行了系统评估。6设计中考虑的安全与环保问题的分析6.1安全问题的分析在自动化铺砖机器人的设计过程中，安全需求是至关重要的一个环节。为了保障作业人员和周边环境的安全，机器人需具备强大的碰撞检测与避免机制。这涉及到传感器的精确度和实时反应能力，例如，激光雷达和视觉传感器应能实时捕捉周围物体的位置和运动状态，以便在接近障碍物时迅速做出决策，调整运动轨迹以避免碰撞。国际标准如ISO13482:2014《工业机器人安全——系统设计和功能》对此有严格规定，机器人应具有至少0.5米的避障距离。[16]紧急停机功能是另一个关键安全需求。一旦发生意外情况，如电机故障或操作失误，机器人应能在短时间内停止所有动作并进入安全模式。这通常通过集成紧急停止按钮、故障检测电路和快速响应的控制系统来实现。[17]机器人设计中还应考虑电源失效时的自保护措施，确保在断电情况下能够安全降下并锁定。人机协作是现代工业环境下自动化设备不可或缺的一部分。在自动化铺砖机器人设计中，应考虑与施工人员的交互，如提供清晰的操作指示，配备防止误操作的防护装置，以及在必要时允许人工干预或接管任务。这需要通过人机界面的友好设计和合理的权限分配来实现。安全防护罩和防尘措施也是必不可少的，特别是在粉尘较大的施工现场，以防止灰尘对机器人内部元件和操作人员造成影响。机器人的运动速度和力量应被严格控制，以防止对人员或材料造成伤害。安全需求的满足不仅关乎机器人的性能，更关系到整个施工过程的安全性和可持续性。在设计阶段，必须深入理解和遵守相关的安全标准，以确保自动化铺砖机器人的可靠性和安全性。6.2环保问题的分析环境感知和适应性是另一个重要的研究课题。随着传感器技术的进步，机器人将能更精确地感知周围环境，包括温度变化、湿度影响和施工条件的变化。这将使机器人能够适应各种施工条件，提供更为灵活和精准的铺砖服务。随着绿色建筑理念的普及，环保将成为设计和制造自动化铺砖机器人的重要考量因素。研究如何减少能耗，降低碳排放，以及利用可再生材料构建机器人，将是未来研究的重要内容。自动化铺砖机器人的未来研究将围绕新材料、智能控制、协作机制、环境感知和环保性能展开，这些都将推动建筑行业的施工效率和质量迈上新的台阶。然而，挑战与机遇并存，解决现有的技术瓶颈，如稳定性、适应性和环境理解能力的提升，将是推动这一领域持续发展的关键。经济技术与成本分析7.1经济技术分析在“技术经济”这一部分，深入探讨自动化铺砖机器人的经济效益与成本分析。我们关注的是技术层面的投资回报率（ROI），通过对比研发、生产与部署阶段的成本，以及预期的施工效率提升和劳动力节省，来量化投资的技术经济合理性。根据近年来相关工程项目的平均数据，自动化铺砖机器人的引入可以显著降低单位面积的人工成本，据统计，每投入一台机器人，可以节省约30%的人力成本（数据来源：中国建筑业协会）。我们考察材料成本的影响，新型材料和高效能组件的选择对总成本有着重要影响。例如，轻质高强度的复合材料可以降低机器人的重量，从而减少能耗，但初始采购成本可能会稍高。我们还将分析维护和更换零部件的周期性成本，以及长期运营中的能源消耗，这将影响整个机器人的生命周期成本。接着，我们转向环境因素，尽管自动化铺砖机器人能够减少现场粉尘和噪音污染，但其电力消耗和碳排放仍需纳入环境影响评估。根据绿色建筑评价标准，我们预计一个典型机器人在使用寿命内能够减少约50%的传统施工产生的环境污染（数据来源：中国绿色建筑评价体系）。政策补贴和税收优惠也是影响成本的关键因素。国家对于智能装备的扶持政策，如科研资金支持和税收减免，可能使得自动化铺砖机器人的总体经济收益更为可观。通过全面的经济和技术分析，我们可以得出自动化铺砖机器人在长期运行中的经济可行性，以及在特定应用场景下的成本效益。这将为投资者和决策者提供有价值的参考，推动技术在建筑行业的广泛应用。7.2经济成本分析在“技术经济”这一章节中，我们首先探讨的是自动化铺砖机器人设计的技术经济效益分析。这部分内容将深入剖析以下几个方面：1.技术投入与产出：我们将从研发初期的材料成本、人力资源和专利申请等角度，量化自动化铺砖机器人的技术投入。通过对比传统人工铺砖的工时和效率，估算其潜在的经济效益，包括节省的人力成本和提高的施工速度带来的间接收益。2.维护与运营成本：分析机器人的日常维护费用，如维修周期、易损件更换成本，以及长期运行的能源消耗。考虑到机器人技术的成熟度和使用寿命，预测其在整个生命周期内的总运营成本。3.市场接受度与竞争力：通过市场调研，了解潜在用户对自动化铺砖机器人的接受程度，包括价格敏感度和对效率提升的需求。评估该技术在当前市场的竞争地位，以及随着技术进步可能带来的市场拓展空间。4.技术升级与迭代：考虑到技术创新和市场需求的变化，讨论如何通过技术升级和产品迭代来持续优化机器人的性价比，以保持竞争优势。在“成本分析”小节中，重点关注以下几个关键成本组成部分：1.初始购置成本：详细列出自动化铺砖机器人的硬件设备、控制系统和相关配件的采购价格，包括机械臂、传感器、控制器等核心组件的成本。2.制造与生产成本：估算机器人制造过程中的人工费、生产设备折旧、生产线维护等间接成本。这部分内容将基于行业标准和实际生产数据进行计算。3.研发与测试成本：回顾我们在设计和测试阶段投入的研发资源，包括研发投入、试验设备租赁和专家咨询费用。4.环保影响与政策考量：分析机器人在使用过程中可能产生的环境影响，如能源消耗和废弃物排放，以及可能面临的环保法规约束，以便进行综合成本评估。通过对这些方面的深入分析，我们可以全面理解自动化铺砖机器人在技术经济上的可行性，并为未来的商业决策提供依据。

8结论与展望8.1结论本次设计为铺砖机器人方案设计及机械部分的改进，经过对任务书的分析、以及查阅相关资料文献、对方案进行研究选择、对铺砖机器人结构开展设计、零部件进行加工装配以及对控制系统联调等过程，通过我们不懈的努力，终于让本课题达到了设计的要求。本课题设计并且组装出了铺砖机器人模型装设备，是依照现代化铺砖的需求提出超前思路。并且在通过对铺砖机器人测试结果的分析研究，可以得出该装置能够在对于提高铺砖工作效率，降低施工成本以及节省劳动力方面有重要的意义。通过对该设备的评估可知，该机械设备具有使用简单、结构性能稳定、工作效率快等优点，而且还可以适应较为复杂工作环境，对于缩短施工期期，和降低劳动力成本具有及重要意义。本次研究该课题，是对于科技进步很好的一种体现，设计出来能够替代人力的设备，可以提高工作的效率。并且具有较高的科学含义和以及市场使用价值。8.2展望我国在21世纪，人力市场早已经出现用工难，成本高的现象，而且像路砖的铺设基