CAD工具

概述

CAD（Computer-Aided Design）工具是机器人机械设计的核心软件。从概念建模到详细设计、从结构仿真到制造出图，CAD贯穿整个设计流程。本节对比主流CAD工具并介绍机器人特有的URDF/MJCF导出流程。

仿真与开发工具链请参考：开发工具链

主流CAD工具对比

特性	SolidWorks	Fusion 360	OnShape	FreeCAD
类型	参数化	参数化+直接	参数化	参数化
平台	Windows	Windows/Mac/Web	浏览器	全平台
价格	¥35000+/年	免费(个人)/¥4000/年	免费(教育)/¥12000/年	免费开源
学习曲线	中等	较低	较低	较陡
装配功能	强	中	强	中
仿真	强(付费)	中	弱	中(FEM)
渲染	强	强	弱	弱
CAM	付费插件	内置	付费插件	内置(Path)
协作	PDM(付费)	云端	云端实时	Git
API/脚本	VBA/C#	Python/JS	FeatureScript	Python
URDF导出	插件	插件	第三方	插件

SolidWorks

特点

SolidWorks是工业界使用最广泛的参数化CAD软件：

参数化建模：基于特征的建模，修改参数自动更新
装配设计：成熟的约束（Mate）系统，支持大型装配
工程图：自动生成符合标准的2D工程图
仿真：SolidWorks Simulation提供静力学/动力学/热/流体分析
生态系统：庞大的插件库和零件库（McMaster、Misumi）

URDF导出

SolidWorks有专门的ROS URDF导出插件 sw2urdf：

安装 sw_urdf_exporter 插件
在装配体中定义关节（Joint）类型和轴线
定义Link和Joint的父子关系
导出URDF文件 + STL/DAE网格文件

# 安装 sw2urdf 插件
# 从 GitHub 下载: ros/solidworks_urdf_exporter
# 运行安装程序，在SolidWorks中激活插件

适用场景

专业机器人公司的产品开发
需要出工程图进行加工
大型装配体（>500个零件）
团队协作（使用PDM）

Fusion 360

特点

Fusion 360 是Autodesk推出的云端CAD/CAM/CAE一体化工具：

免费版可用：个人非商业用途免费
多功能集成：建模、装配、仿真、渲染、CAM、PCB（Eagle集成）
云端存储：项目自动同步到云端
协作：可分享链接给他人查看/编辑
CAM功能：直接生成CNC刀路和G-code

URDF导出

使用 fusion2urdf 或 Fusion2PyBullet 插件：

# fusion2urdf 安装步骤：
# 1. 下载 fusion2urdf 插件
# 2. Fusion 360 → Scripts and Add-Ins → Add-Ins → +
# 3. 选择插件目录
# 4. 在装配体中运行插件
# 5. 定义Base Link和各Joint
# 6. 导出URDF + mesh文件

适用场景

个人/小团队机器人项目
需要快速原型设计
需要集成CAM（CNC加工）
学生和爱好者

OnShape

特点

OnShape 是完全基于浏览器的CAD工具：

浏览器运行：无需安装，任何设备可用
实时协作：类似Google Docs，多人同时编辑
版本控制：类Git的版本管理，分支/合并
FeatureScript：自定义参数化特征的脚本语言
教育版免费：学生和教育机构免费使用

特色功能

零件库（Standard Content）：丰富的标准件库
Simultaneous Editing：多人实时编辑同一装配体
Branching & Merging：设计版本的分支管理
REST API：完整的API，可编程访问

URDF导出

使用 onshape-to-robot 工具：

# 安装
pip install onshape-to-robot

# 配置 (config.json)
{
    "documentId": "your_document_id",
    "outputFormat": "urdf",
    "robotName": "my_robot"
}

# 导出
onshape-to-robot config.json

适用场景

团队协作项目
没有高配电脑（Chromebook也可用）
开源机器人项目（免费公开分享）
教育环境

FreeCAD

特点

FreeCAD 是开源的参数化CAD软件：

完全免费开源：GPL协议
跨平台：Windows/Mac/Linux
Python脚本：深度Python集成，可编程建模
模块化：通过Workbench扩展功能
FEM分析：内置有限元分析模块

主要Workbench

Workbench	功能
Part Design	参数化实体建模
Assembly	装配（A2plus/Assembly4）
FEM	有限元分析
Path	CAM/CNC刀路
TechDraw	2D工程图
Robot	机器人仿真（基础）

URDF导出

使用 FreeCAD ROS Workbench 或手动导出：

# FreeCAD Python 脚本导出 STL
import FreeCAD
import Mesh

doc = FreeCAD.open("robot.FCStd")
for obj in doc.Objects:
    if obj.Shape:
        Mesh.export([obj], f"{obj.Label}.stl")

配合手写URDF文件或使用 freecad_to_urdf 工具。

适用场景

预算有限的项目
Linux用户
需要Python脚本化建模
学习CAD的入门选择

URDF/MJCF 模型导出

URDF（Unified Robot Description Format）

URDF 是ROS生态中描述机器人模型的标准XML格式：

<?xml version="1.0"?>
<robot name="my_robot">
  <!-- 基座 -->
  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <mesh filename="package://my_robot/meshes/base.stl"/>
      </geometry>
    </visual>
    <collision>
      <geometry>
        <mesh filename="package://my_robot/meshes/base_collision.stl"/>
      </geometry>
    </collision>
    <inertial>
      <mass value="2.0"/>
      <inertia ixx="0.01" ixy="0" ixz="0" iyy="0.01" iyz="0" izz="0.02"/>
    </inertial>
  </link>

  <!-- 关节 -->
  <joint name="joint1" type="revolute">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="link1"/>
    <origin xyz="0 0 0.1" rpy="0 0 0"/>
    <axis xyz="0 0 1"/>
    <limit lower="-3.14" upper="3.14" effort="10" velocity="3.14"/>
  </joint>

  <!-- 连杆1 -->
  <link name="link1">
    <!-- visual, collision, inertial -->
  </link>
</robot>

MJCF（MuJoCo XML Format）

MJCF 是MuJoCo物理引擎的模型格式，在强化学习仿真中广泛使用：

<mujoco model="my_robot">
  <worldbody>
    <body name="base" pos="0 0 0.5">
      <geom type="mesh" mesh="base"/>
      <joint name="joint1" type="hinge" axis="0 0 1"/>
      <body name="link1" pos="0 0 0.1">
        <geom type="mesh" mesh="link1"/>
      </body>
    </body>
  </worldbody>

  <asset>
    <mesh name="base" file="base.stl"/>
    <mesh name="link1" file="link1.stl"/>
  </asset>
</mujoco>

导出流程

graph LR
    CAD[CAD模型<br/>SolidWorks/Fusion360] --> EXPORT[导出插件]
    EXPORT --> URDF[URDF + STL meshes]
    URDF --> ROS[ROS/ROS2<br/>Gazebo仿真]
    URDF --> MJCF_CONV[URDF→MJCF转换]
    MJCF_CONV --> MUJOCO[MuJoCo仿真]

    CAD --> STL[手动导出STL]
    STL --> MANUAL[手写URDF/MJCF]
    MANUAL --> ROS
    MANUAL --> MUJOCO

网格简化

仿真用的碰撞网格（Collision Mesh）应简化以提高仿真速度：

工具	方法	适用
MeshLab	二次边折叠	通用简化
Blender	Decimate修改器	可视化简化
V-HACD	凸分解	碰撞网格
trimesh (Python)	编程简化	批量处理

# 使用 trimesh 简化网格
pip install trimesh

python -c "
import trimesh
mesh = trimesh.load('robot_part.stl')
simplified = mesh.simplify_quadric_decimation(1000)  # 简化到1000面
simplified.export('robot_part_simple.stl')
"

装配设计技巧

机器人装配的特殊考虑

关节定义清晰：每个运动关节明确定义旋转轴和运动范围
干涉检查：确保运动范围内无碰撞
重心计算：利用CAD的质量属性功能计算重心
惯量计算：URDF需要精确的惯量矩阵
线缆空间：建模线缆走线路径
维护可达性：螺丝和连接器要可操作

惯量矩阵获取

CAD软件可以直接计算零件/装配体的惯量矩阵：

SolidWorks：评估 → 质量属性
Fusion 360：检查 → 物理属性
OnShape：右键 → Mass Properties

输出格式通常为：

\[I = \begin{bmatrix} I_{xx} & I_{xy} & I_{xz} \\ I_{xy} & I_{yy} & I_{yz} \\ I_{xz} & I_{yz} & I_{zz} \end{bmatrix}\]

参考资源

SolidWorks URDF Exporter: GitHub - ros/solidworks_urdf_exporter
fusion2urdf: GitHub
onshape-to-robot: GitHub
FreeCAD Documentation: freecad.org
URDF Specification: wiki.ros.org/urdf
MJCF Documentation: mujoco.readthedocs.io

CAD工具

概述

主流CAD工具对比

SolidWorks

特点

URDF导出

适用场景

Fusion 360

特点

URDF导出

适用场景

OnShape

特点

特色功能

URDF导出

适用场景

FreeCAD

特点

主要Workbench

URDF导出

适用场景

URDF/MJCF 模型导出

URDF（Unified Robot Description Format）

MJCF（MuJoCo XML Format）

导出流程

网格简化

装配设计技巧

机器人装配的特殊考虑

惯量矩阵获取

推荐工作流

个人/小团队

教育/开源项目

专业团队

预算有限

参考资源

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