机器人系统设计与制作：Python语言实现2.4 用LibreCAD生成机器人的二维CAD图

2.4　用LibreCAD生成机器人的二维CAD图

我们来看看LibreCAD的主界面，如图2-3的屏幕截图所示。

 

图2-3　LibreCAD主界面图

左边的CAD工具栏是绘制模型必不可少的组件，图2-4所示的屏幕截图展示了CAD工具栏的具体组成。

LibreCAD工具栏的详细说明可以参考以下链接：http://wiki.librecad.org/index.php/LibreCAD_users_Manual。

命令框：只能通过命令来绘制图形。

我们不用任何工具栏上的按钮也能绘制出图形。命令框的详细使用说明可以参考以下链接：http://wiki.librecad.org/index.php/A_short_manual_for_use_from_the_command_line。

图层列表：当前绘制窗口的图层面板。计算机辅助绘图的一个基本原理就是利用图层面板的概念来进行绘制。关于图层面板的详细说明可以参考以下链接：http://wiki.librecad.org/index.php/Layers。

块：这是一组实体，可以被设定成不同的位置、大小和旋转角度，并将其多次嵌入到同一个图形中。关于块的详细说明可以参考以下链接：http://wiki.librecad.org/index.php/Blocks。

绝对零点：这是绘制图形的原点坐标（0，0）。

现在，通过设置绘图单位开始草图设计。绘图的单位设置为cm。打开LibreCAD软件，找到Edit |Application Preference选项，将Unit单位设置为Centimeters（厘米），如图2-5的截图所示。

图2-4　CAD工具栏 图2-5　设置绘图单位

接下来，我们开始机器人的底座设计。底座按需求要能够放置电池，并连接电机和控制板。

2.4.1　底座设计

机器人的底座如图2-6所示。底座上画出了两个差分驱动电机和前后两个脚轮的位置，M1和M2分别表示两个差分驱动电机，C1和C2表示两个脚轮。还有4个连接杆的位置：P1-1、P1-2、P1-3和P1-4，它们用于两层之间的连接。螺丝的位置用S表示，这里所用的螺丝型号都是相同的。在底座的中心开了一个洞，专门用于底座电机的走线，它可以一直连到顶层的控制中心。在底座的左右两边各开了一个凹槽，用于放置两边的差分驱动轮，并可以很方便地连到驱动电机上。从底座中心到前后两个脚轮的距离是12.5cm，到两个驱动电机的距离是5.5cm。4个连接杆中心，两两之间的长、高均为9cm。底座、中间层和顶板上打孔的尺寸都一样。

 

图2-6　机器人的底座设计

图2-6中并没有标出每个孔的尺寸，各类孔的尺寸如表2-1所示。

表2-1　机器人底座的尺寸

部件名称 尺寸（cm）

M1和M2 长×高为5×4

C1和C2 半径为1.5

S（螺丝） 半径为0.15

P1-1、P1-2、P1-3、P1-4 外半径为0.7，高为3.5

左、右轮的凹截面 长×高为2.5×10

底座 半径为15

 

在后面，我们还会讨论更多关于电机和电机夹具的尺寸。

2.4.2　底座连接杆设计

底座上有4个连接杆需要延伸连接到中间层。连接杆长为3.5cm，半径为0.7cm。我们可以选用空心管将连接杆延长到中间层。在空心管的顶部，再插入一块硬塑料，打一个螺丝孔。通过这个螺丝，再将其延长到顶层。底座上的连接杆和空心管的尺寸如图2-7所示。空心管的半径为0.75cm，长度为15cm。

 

图2-7　底座连接杆

2.4.3　轮子、电机和电机夹具设计

必须确定轮子的直径，并计算电机的要求。这里，我们可以采用图2-8所示的这个典型的轮子和电机的设计方案，看看是否有效。

 

图2-8　轮子和电机的典型图

电机的设计可以根据电机的选择而变化；如果有必要，电机的设计方案可以根据仿真结果再进行修改。图2-8中X的值可以根据电机的不同速度和转矩而改变。它是电机的齿轮传动装置。

图2-9给出了一个典型的轮子设计图，轮子的直径可认为是90mm。虽然图上画出的直径只有86.5mm，但套上握杆后就会变成90mm了。

电机要安装在底座上需要一个夹具，我们要先将夹具固定在底板上，然后将电机安装到夹具上。图2-10给出了一种典型的夹具设计图纸，可以为我们所用。这是一个L型的夹具，可以将电机固定在夹具的一侧，另一侧固定在底板上。

 

图2-9　轮子设计图

 

图2-10　夹具设计图

2.4.4　脚轮设计

脚轮不需要进行特别的设计，可以使用任何能够接触到地面的轮子，与之前的类似。我们这次设计中可用的脚轮集合请参照下面这个链接：http://www.pololu.com/category/45/pololu-ball-casters。

2.4.5　中间层设计

中间层圆盘的设计尺寸和底座圆盘的尺寸一样，包括螺丝钉的大小也类似，如图2-11所示。

中间层的圆盘由来自底座上的空心管支撑。这样，从中间层再向上延伸空心管，连接到顶层的圆盘。从底座连到中间层圆盘的空心管，会用一个螺丝固定在底部，然后再通过空心管连接到顶层。从中间层延伸上来的空心管的侧面和顶部尺寸如图2-12所示。

 

图2-12　空心管侧面和顶部尺寸

这个空心管连接了底座和中间层，同时向上延伸，连接到顶层。

2.4.6　顶层设计

顶层的圆盘设计与其他两层类似，有4个3cm长的与底层相似的连接杆。这4个连接杆是用来加固从中间层延伸上来的空心管的。这4个连接杆在顶层圆盘上的位置如

图2-13所示。

顶层圆盘设计完之后，这个机器人的框架设计已基本完成。我们可以用Blender软件来显示机器人的3D模型，构造这个3D模型主要是为了进行三维仿真，而二维的平面设计主要是用于机械制造的。

 

图2-13　顶层圆盘的设计图