如何使用计算机辅助设计工具设计四足机器人

大家好！这篇文章是一步步的指南，教导您如何使用计算机辅助设计工具，设计一台四足机器人。

四足机器人的设计灵感来自于波士顿动力公司（Boston Dynamics）的Spot机器人，它看起来有点像只狗。设计这台机器人是为了增材制造，且易于使用任何商业FDM/FFF 3D打印机打印。虽然，我计划亲自制作机器人，但这篇教学文将只涵盖设计时间，而我将很快于另一篇文章中，发布制造四足机器人的一步步过程。

透过这篇文章，我将向您介绍这台机器人的通用设计过程，所以您不必复制我正在建构的内容。藉由运用这篇教学文，您可随心所欲发挥创意，以创造任何多足机器人。

盼望您享受阅读这篇文章，并且于留言发布您的设计。

软件和设备：

1.SolidWorks（设计）

2.Visualize（渲染）

3.桌面计算机/笔记本电脑

4.计算机鼠标（非必要，但建议具备，将使这项项目更容易完成。）

步骤一：素描概念

图一

设计流程的第一步，就是拿出您的素描簿，开始描绘机器人的不同概念。素描本身不必完美，只需要拥有大致形状，并且形成具备粗略估计尺寸的组件。如同上方的图一所示，我从非常初级的2D素描概念展开，描绘机器人的基本轮廓，以及肢体尺寸。有了初步构想后，我最终完成了这个灵感源自于狗的机器人的设计，并于小腿具备一个平行驱动机构。之后，我开始描绘更多细节，例如电子设备的放置，腿步的运动学，以及腿部驱动机构等等。我还展示了一些用来详细构思组件的草图。

关于细节的描绘，我建议将草图绘制成3D，以使设计的可视化效果更好。以下是一些针对产品设计素描的资源：

TheSketchMonkey’s “3 Important SketchingExercises for Any Designer (Beginner) – YouTube“

https://www.youtube.com/watch?v=IM_zvACz2og&t=12s

Sketch a Day’s “Sketch-A-Day – How tosketch complex organic shapes – YouTube“

https://www.youtube.com/watch?v=_JK73WLM3xQ

Reid Schlegel’s “Sketching Basics 2:Perspective is King – YouTube“

https://www.youtube.com/watch?v=JK0qlnnG1WA

除了详细的3D草图，我也鼓励您绘制组件的粗略草图，以便有更好的构思。

第二步：汇入/下载电子组件

设计机器人时考虑电子组件，是任何机器人设计过程的重要部分，但如果每一项电子组件皆一一设计，那过程将很乏味。所以，我从GrabCAD获取大部分的电子组件。Solidworks允许用户以.STEP、.SLDPRT、.STL等文件类型，直接汇入预先设计好的电子组件，例如伺服马达、电池、控制器等进行组装；而未支持的文件类型，可使用任何免费的在线转档器，将档案转换成.STEP或.SLDPRT。

https://grabcad.com/library

以下是我从GrabCAD汇入的电子组件列表：

伺服马达：Lewansoul LX-16A bus servo | 3D CAD Model Library | GrabCAD

https://grabcad.com/library/lewansoul-lx-16a-bus-servo-1

DC-DC 降压转换器：DROK AdjustableDC Buck Converter Model 180078/180080 with built in mount | 3D CAD ModelLibrary | GrabCAD

https://grabcad.com/library/drok-adjustable-dc-buck-converter-model-180078-180080-with-built-in-mount-1

伺服总线连接器：LewanSoul LX-16A Servo Bus Linker | 3D CAD Model Library | GrabCAD

https://grabcad.com/library/lewansoul-lx-16a-servo-bus-linker-1

电池：TalentCell Rechargeable 12V 3000mAh Lithium Ion Battery Pack | 3DCAD Model Library | GrabCAD

https://grabcad.com/library/talentcell-rechargeable-12v-3000mah-lithium-ion-battery-pack-1

我无法在网络上找到Libre computer (Le Potato)的CAD，所以我自己设计了一个：AML-S905X-CC(Le Potato) | 3D CAD Model Library | GrabCAD

https://grabcad.com/library/aml-s905x-cc-le-potato-1

第三步：设计大腿

既然设计素材都预备好了，就让我们开始设计四足机器人。

图二

如图二所示，为设计大腿，我由基本素描展开。草图被拉伸成30毫米的厚度。之后，拉伸主马达轴的界面，并且创造出8个M2机器螺丝的螺丝孔，以安装马达连接器，该马达连接器是在马达轴和大腿间的连接接口。大腿的基本形状完成后，针对辅助马达，我切割出45 x 18毫米插槽；而为了安装小腿，我切割出50 x 18毫米的插槽。接着，其余更精细的细节被添加至我们的CAD模型，例如，针对线路管理而设计的槽，辅助马达支架，以及相关收尾工作。

第四步：设计小腿

为设计小腿，我遵循了类似的流程。首先，我创造出一张基本草图，其灵感源自于第一步所提到的粗略概念图。之后，我拉伸草图，并添加一些更为细致的细节，例如用于平行联动机构的槽，以及模块化的脚趾切出。

第五步：组装腿部

图三

于此步骤中，我们将组装刚设计好的大腿与小腿，而2号马达将被固定于大腿上（图三）。针对这项目标，我们需要在工作区内开启这三个组件，并依据设计将它们配合起来。一旦组装好大腿、小腿及马达，合规连杆和Servo horn将被建模并添加至组件中。至此，腿部的设计已完成！让我们进行底座的设计。

第六步：组装底座

在这个步骤中，我们将把机器人底座的所有组件组装起来，包括电子组件及电源。

第七步：组装腿部、底座、外壳，完成四足机器人的设计。

一旦所有组件就定位，我们便将它们组装起来，四足机器人的设计便大功告成！而我使用Visualize这套软件，产生高质量的渲染，并且完成这台四足机器人。

编辑：黄飞