机器人技术考试试题及答案

机器人技术考试试题及答案考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、单项选择题（每题2分，共20分。请将正确选项的字母填在题后的括号内）1.机器人研究的核心目标是（）。A.制造外观与人类相似的机器B.实现机器人的自主运行C.探索机器人的智能进化D.完成预定的任务，提高生产效率2.在机器人坐标系中，末端执行器（手爪）的位置和姿态通常用哪个坐标系来描述？（）A.基坐标系B.参考坐标系C.工具坐标系D.机架坐标系3.以下哪种传感器主要用于测量机器人关节的旋转角度？（）A.距离传感器B.视觉传感器C.角速度传感器D.接触传感器4.描述机器人从起始点运动到目标点所需路径的规划方法称为（）。A.集中控制B.分布式控制C.路径规划D.运动学逆解5.在机器人控制系统中，用于使机器人末端执行器精确跟踪期望轨迹的控制系统称为（）。A.位姿控制B.阶跃响应控制C.跟踪控制D.解耦控制6.以下哪种机器人通常被认为是具有最高灵活性和重复定位精度的？（）A.桁架式机器人B.圆柱坐标机器人C.六轴关节型机器人D.直角坐标机器人7.机器人编程语言中，通常用哪种指令来表示机器人的运动轨迹类型（直线、圆弧等）？（）A.G代码B.M代码C.I代码D.F代码8.机器人视觉系统中，通常使用哪种算法来识别图像中的特定物体？（）A.坐标系转换算法B.PID控制算法C.图像处理与模式识别算法D.动力学建模算法9.以下哪个概念描述了机器人完成一个任务所需的最低关节速度？（）A.可达性B.速度奇异C.刚度D.工作空间10.将机器人动力学方程中的广义坐标变换为关节坐标的过程称为（）。A.正运动学B.逆运动学C.动力学仿真D.坐标系标定二、判断题（每题1分，共10分。请将正确的打“√”，错误的打“×”）1.机器人的工作空间是指机器人手臂末端能够到达的所有点的集合。（）2.机器人的自由度数量越多，其灵活性就越高，但控制难度也越大。（）3.闭环控制系统必须比开环控制系统具有更高的精度。（）4.所有机器人都可以在三维空间中执行任意姿态的抓取任务。（）5.传感器在机器人系统中主要用于测量环境信息，与自身运动控制无关。（）6.机器人的运动学分析只涉及几何关系，不涉及物理量如力、质量等。（）7.工业机器人通常由机械结构、驱动系统、控制系统和感知系统四个基本部分组成。（）8.人工智能技术是现代机器人发展的关键驱动力之一。（）9.机器人的示教编程是指通过编程语言编写机器人运动程序。（）10.机器人的标定是指确定机器人各部分物理参数的过程。（）三、填空题（每题2分，共20分。请将答案填在横线上）1.描述一个物体在空间中位置和方向的量称为________。2.机器人的控制系统通常分为________控制、速度控制和位置控制三个等级。3.测量机器人关节角速度的传感器通常称为________传感器。4.机器人能够完成任务的区域称为________。5.在机器人动力学中，D-H参数法是一种常用的________建模方法。6.机器人编程中，G代码通常用于定义________和进给速度。7.视觉传感器为机器人提供________感知能力。8.机器人的控制通常可以分为________控制和轨迹控制。9.机器人的运动学包括________和逆运动学两部分。10.机器人学与________、控制论、传感技术、计算机科学等多个学科密切相关。四、简答题（每题5分，共20分）1.简述机器人运动学正解和逆解的区别及其在机器人技术中的作用。2.简述影响机器人工作空间大小的因素。3.简述机器人控制系统中，位置控制、速度控制和力控分别适用于哪些场景。4.简述机器视觉系统在机器人应用中的主要作用。五、计算题（10分）已知一个具有三个旋转关节的平面机器人（RPR），其关节角度分别为θ1,θ2,θ3。关节臂长分别为a1,a2,a3。请推导末端执行器（末端坐标系原点）在全局坐标系下的位置（x,y）和姿态（通常用z轴旋转角ψ表示）的表达式。（要求写出推导过程）六、分析题（20分）假设你需要为一个工厂设计一个用于上下料的机器人系统。请分析并说明在设计该系统时，需要考虑哪些关键因素？例如，机器人的类型选择、工作范围、负载能力、精度要求、控制方式、安全防护以及与周围设备的集成等方面。试卷答案一、单项选择题1.D解析：机器人研究的主要目的是应用自动化技术完成特定任务，提高效率和精度。2.C解析：工具坐标系定义了末端执行器的工作姿态，用于将任务坐标系的指令转换为机器人坐标系下的运动。3.A解析：角度传感器（如编码器）是测量旋转角度的常用传感器。4.C解析：路径规划是指规划机器人从起点到终点的运动轨迹。5.C解析：跟踪控制是指使机器人末端精确跟随预设轨迹的控制。6.C解析：六轴关节型机器人具有三个旋转轴和三个移动轴，灵活性高，运动范围大，重复定位精度高。7.A解析：G代码是机器人编程中用于定义运动轨迹（如直线、圆弧）和进给速度的标准代码。8.C解析：图像处理与模式识别算法是机器人视觉识别物体的核心技术。9.B解析：速度奇异是指关节速度存在无穷大的情况，影响机器人的运动能力。10.B解析：逆运动学是将末端执行器的期望位姿反解为关节变量的过程。二、判断题1.√解析：工作空间是机器人手臂末端可达点的集合。2.√解析：自由度越多，机器人运动越灵活，但控制复杂度也越高。3.√解析：闭环系统能根据反馈修正误差，通常比开环系统精度更高。4.×解析：并非所有机器人都能执行任意姿态抓取，受限于其结构和自由度。5.×解析：传感器不仅测量环境信息，也用于闭环控制，影响机器人自身运动。6.√解析：运动学只研究几何关系（位置、姿态），不考虑力、质量等物理量。7.√解析：工业机器人基本组成包括机械结构、驱动、控制和感知系统。8.√解析：人工智能在感知、决策、控制等方面驱动机器人发展。9.×解析：示教编程是通过手动操作示教器引导机器人学习运动轨迹，而非编写代码。10.√解析：标定是确定机器人各部件（如传感器、关节）物理参数的过程。三、填空题1.位姿2.阶段3.角速度4.工作空间5.运动学6.运动轨迹7.视觉8.位姿9.运动学10.机器人学四、简答题1.运动学正解是根据已知关节角度计算末端位姿的过程，用于规划和示教；逆运动学是根据期望的末端位姿计算所需关节角度的过程，用于控制。它们是机器人运动控制的基础。2.影响工作空间大小的因素包括：机器人结构（臂长、自由度）、关节限位（角度范围）、基座与末端执行器尺寸等。3.位置控制用于精确移动机器人到目标点，适用于装配、焊接等精确定位任务；速度控制用于控制机器人运动速度，适用于需要平滑运动或速度匹配的场景；力控用于在接触过程中控制施加的力，适用于打磨、抓取易损物品等需要感知和适应力的任务。4.机器视觉系统在机器人中主要用于环境感知（识别物体、场景）、定位导航、尺寸测量、缺陷检测等，使机器人具备“眼睛”，提高自动化水平和智能程度。五、计算题推导过程：设全局坐标系为{0}，基坐标系为{1}，关节1连接{1}到{2}，关节2连接{2}到{3}，末端执行器连接{3}到{4}。1.建立D-H参数（简化，假设z轴旋转，x轴平移）：θi,ai,αi=0,di=0(除非特别说明)。2.变换{1}到{2}：T12=[cosθ1,-sinθ1,0,a1;sinθ1,cosθ1,0,0;0,0,1,0;0,0,0,1]3.变换{2}到{3}：T23=[cosθ2,0,sinθ2,a2;0,1,0,0;-sinθ2,0,cosθ2,0;0,0,0,1]4.变换{3}到{4}（末端）：T34=[cosθ3,0,sinθ3,a3;0,1,0,0;-sinθ3,0,cosθ3,0;0,0,0,1]5.末端位姿{T4}=T43=T34*T23*T12=[cosθ3,0,sinθ3,a3+a2cosθ2+a1cos(θ2+θ3);0,1,0,a2sinθ2;-sinθ3,0,cosθ3,-a3sinθ3-a2sin(θ2+θ3);0,0,0,1]6.提取x,y,z:x=a3+a2cosθ2+a1cos(θ2+θ3);y=a2sinθ2;z=-a3sinθ3-a2sin(θ2+θ3)7.姿态ψ（通常指z轴旋转角）：ψ=θ3（注意：具体推导可能因D-H参数设定不同而有差异，此处采用常用简化设定）六、分析题设计上下料机器人系统时需考虑：1.机器人类型选择：根据负载、工作范围、精度要求选择合适的类型（如六轴关节型、SCARA、直角坐标型）。2.工作范围与可达性：确保机器人工作范围覆盖上下料区域，考虑安装空间。3.负载能力：机器人的最大负载需满足工件重量、夹具重量的要求。4.精度要求：定位精度影响装配质量，速度和加速度影响生产节拍。5.控制方式：选择合适的控制系统（如PC控制、PLC控制），考虑编程方式（示教、离线编程）。