工业AI2025年机器人编程真题

工业AI2025年机器人编程真题考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简述工业机器人坐标系（世界坐标系、基坐标系、工具坐标系、笛卡尔坐标系、关节坐标系）各自的作用及它们之间的转换关系。二、某工业机器人（假设为6轴关节机器人）需要执行一个从A点到B点的直线运动任务。A点关节角度为[θ1,θ2,θ3,θ4,θ5,θ6]，B点关节角度为[θ1',θ2',θ3',θ4',θ5',θ6']。请简述逆向运动学的主要任务，并说明在编程中如何利用该任务来确定从A点到B点的中间点的关节角度（假设该中间点位于两点之间的路径上，且路径为直线）。三、某机器人编程平台使用LIN指令实现直线运动。请解释LIN指令的基本格式，并说明至少三个关键的参数及其含义。假设需要机器人沿X轴正方向移动100mm，速度为0.5m/s，加速度为1m/s²，请写出该LIN指令的示例代码（无需考虑单位，只需体现参数及其赋值）。四、在机器人编程中，循环和分支结构是实现程序逻辑性的重要手段。请分别解释循环（如FOR、WHILE）和分支（如IF-ELSE）结构在机器人任务执行中的作用，并各举一个在机器人应用中（如重复执行某个动作、根据传感器信号做出不同决策）的编程实例。五、简述在机器人系统中集成视觉传感器的主要目的。假设一个机器人需要抓取传送带上移动的特定颜色零件（如红色），请简述实现该功能的程序流程，并说明在流程中可能涉及的关键步骤和相关编程考虑（例如，如何获取图像、如何识别颜色、如何计算抓取点坐标、如何发送抓取指令给机器人）。六、什么是机器人程序的在线调试？列举至少三种在线调试常用的方法或技巧，并简述其原理或适用场景。七、工业机器人编程中经常需要处理I/O信号，以实现与其他设备的联动或接收外部指令。请解释什么是输入信号（InputSignal）和输出信号（OutputSignal），并说明在机器人程序中如何配置一个数字输入信号用于检测某个物理开关（如安全门）的状态，以及如何配置一个数字输出信号用于控制一个气缸的启动。八、在人机协作场景下，机器人编程需要特别考虑安全因素。请简述人机协作机器人编程与传统工业机器人编程在安全方面的主要区别。为了确保协作过程的安全，编程时通常需要考虑哪些关键的安全措施或逻辑？九、设想一个简单的工业场景：机器人需要将一个零件从工位A移动到工位B，零件位置由一个光电传感器检测。请设计一个简化的机器人程序逻辑（使用伪代码或该考试涉及的特定编程语言片段即可），实现该任务。程序应包含基本的运动指令、传感器检测逻辑以及必要的错误处理（例如，如果传感器未检测到零件，则提示错误或返回原点）。试卷答案一、工业机器人坐标系及其作用与转换关系：*世界坐标系（WorldCoordinateSystem）：也称全局坐标系，是固定的、绝对的坐标系，通常用于定义机器人基坐标系的位置和方向，以及整个工作空间的环境信息。其原点和坐标轴在工厂环境中是确定的。*基坐标系（BaseCoordinateSystem）：也称工具坐标系（ToolCoordinateSystem），定义在机器人基座上，用于描述机器人末端执行器（如夹爪）的初始姿态和位置。它是机器人运动控制的参考基准。*工具坐标系（ToolCoordinateSystem）：（与基坐标系常合并理解）定义在末端执行器上，描述工具（如焊枪、喷头、夹爪）相对于末端执行器安装基准的姿态和位置。对于需要精确控制工具姿态的任务（如焊接、喷涂）至关重要。*笛卡尔坐标系（CartesianCoordinateSystem）：也称直角坐标系，是定义在机器人基坐标系（或工具坐标系）下的坐标系，用X,Y,Z三个线性坐标值表示点的位置。适用于需要精确控制末端执行器在空间中线性移动的应用（如搬运、装配）。*关节坐标系（JointCoordinateSystem）：定义在机器人每个关节旋转轴上，用关节角度（θ1,θ2,...,θn）表示机器人的构型（姿态）。适用于需要控制机器人整体姿态或精确定位末端执行器相对于关节位置的应用。*转换关系：机器人从基坐标系到工具坐标系、从工具坐标系到笛卡尔坐标系、从笛卡尔坐标系到关节坐标系的转换，是机器人运动控制的核心。这些转换通常通过正向运动学（从关节角度到末端位姿）和逆向运动学（从末端位姿到关节角度）计算实现。编程时，需要先建立这些坐标系，并在指令中指定运动是在哪个坐标系下进行，以及目标点或路径点是在哪个坐标系下定义的。这些坐标系的正确配置和转换是实现精确控制的前提。二、逆向运动学的主要任务及编程应用：*逆向运动学的主要任务：给定机器人末端执行器（或手部）在某个坐标系下的期望位置和姿态（通常表示为该坐标系原点的笛卡尔坐标[X,Y,Z]和三个旋转角度[Rx,Ry,Rz]），计算出实现该位置和姿态所需的各关节角度[θ1,θ2,...,θn]。*编程应用：在编程中，逆向运动学常用于以下情况：*定位任务：将机器人精确地移动到目标点。例如，在装配任务中，需要计算出抓取零件后，将零件放置到指定位置的各关节角度。*路径规划：在规划机器人沿一条空间曲线运动时，需要根据曲线上的点，实时计算并通过逆向运动学求解出对应的关节角度序列，驱动机器人平滑运动。*中间点计算：如题目所述，若需从A点到B点沿直线运动，且路径为直线，则可以通过线性插值方法，在关节空间中计算出一系列中间点的关节角度。这通常需要先将A、B两点的笛卡尔坐标通过正向运动学转换为关节角度（A点角度和B点角度），然后在这些角度之间进行线性插值，得到一系列中间关节角度。编程时，机器人控制器会根据这些计算出的中间关节角度，逐点驱动机器人运动，实现直线轨迹。三、LIN指令格式、参数含义及示例：*LIN指令基本格式：`LIN[参数1],[参数2],...,[参数N]`（具体格式可能因平台不同略有差异，但核心参数类似）*关键参数及其含义：*目标点坐标(X,Y,Z)：指定机器人运动到的目标点在指定坐标系（笛卡尔坐标系或工具坐标系）下的线性坐标。*速度(Velocity)：指定机器人末端执行器沿运动轨迹的速度大小，通常以百分比速度或单位/秒表示。*加速度(Acceleration)：指定机器人加速和减速过程中的最大加速度，影响运动平稳性。*路径类型(PathType)：指定运动路径，如直线(Linear)、圆弧(Circular)等。对于LIN指令，通常为直线。*其他可选参数：可能包括运动方向、过渡方式、同步轴（如果适用）等。*示例代码（伪代码/概念性）：```LIN100,0,0,//目标点：X=100mm,Y=0,Z=0(假设在笛卡尔坐标系)50,//速度：0.5m/s1,//加速度：1m/s²Linear//路径类型：直线```*注意：实际编程时参数名称、格式和单位需遵循特定机器人编程平台的规范。*四、循环和分支结构的作用及编程实例：*循环结构作用：用于重复执行一段程序代码，直到满足特定条件或执行指定次数。适用于需要执行多次相同操作的任务，提高编程效率和简洁性。例如，重复抓取和放置多个相同位置的零件。*分支结构作用：用于根据某个条件是否成立，选择执行不同的程序代码路径。适用于需要根据实际情况做出不同决策的场景，使机器人行为具有智能性。例如，根据传感器检测到的物体类型选择不同的抓取方式。*编程实例：*循环实例（重复抓取）：```FORiFROM1TO10//假设有10个零件需要抓取//1.移动到零件A位置LINx1,y1,z1,velocity,acceleration//2.抓取零件CloseGripper()//3.移动到零件B位置LINx2,y2,z2,velocity,acceleration//4.放下零件OpenGripper()ENDFOR```*分支实例（根据传感器选择抓取点）：```READSensorValue//读取颜色传感器或视觉识别结果IFSensorValue=="Red"TargetX=x_redTargetY=y_redTargetZ=z_redELSEIFSensorValue=="Blue"TargetX=x_blueTargetY=y_blueTargetZ=z_blueELSE//处理未知颜色或错误情况DisplayError("UnknownColor")STOPENDIF//使用计算出的坐标移动到目标点抓取LINTargetX,TargetY,TargetZ,velocity,accelerationGrabPart()```五、视觉传感器集成目的及程序流程：*主要目的：赋予机器人“眼睛”，使其能够感知外部环境信息（如物体位置、形状、颜色、尺寸、缺陷等），从而实现非结构化环境下的自动化任务，提高机器人的灵活性、适应性和智能化水平。*程序流程（抓取特定颜色零件）：1.图像采集：控制视觉传感器（如相机）拍摄当前工作区域（传送带）的图像。可能需要设置相机参数（曝光、增益等）。2.图像预处理：对采集到的原始图像进行处理，以提高图像质量，便于后续分析。常用方法包括：去噪、增强对比度、灰度化、边缘检测等。3.目标识别：在预处理后的图像中，使用图像处理算法（如颜色分割、模板匹配、Blob检测、机器学习分类器等）识别出目标零件（红色）。这包括确定目标零件在图像中的位置（中心点坐标）和可能的大小。4.坐标转换：将识别出的零件在图像坐标系下的位置坐标，通过相机标定得到的相机模型，转换到机器人基坐标系或世界坐标系下的笛卡尔坐标（X,Y,Z）。5.路径规划与运动控制：基于计算出的目标坐标，规划机器人运动路径，并生成相应的机器人运动指令（如LIN或CIRC指令），控制机器人移动到目标位置进行抓取。6.抓取执行与反馈：机器人到达指定位置后，执行抓取动作。可能需要结合力传感器进行柔顺抓取或确认抓取成功。整个流程可能需要循环执行，以处理连续到来的零件。六、在线调试方法及原理/场景：1.示教（Teaching）：最常用的方法。通过手动操作示教器（或配合视觉引导），引导机器人精确到达目标点或执行动作，机器人控制器会记录下此时的关节角度或笛卡尔坐标。后续需要重复该动作时，只需调用示教过的程序段。原理：将手动示教的过程固化下来。适用于：点位运动、简单轨迹、设置坐标系、配置I/O等。2.单步执行（Step-by-StepExecution）：将程序分解为更小的指令或程序块，逐条或逐块执行，观察每一步的执行结果和机器人状态（位置、速度、I/O状态等）。原理：降低执行速度，逐个验证程序逻辑的正确性。适用于：定位程序错误、逻辑判断错误、复杂程序段的逐步跟踪。3.状态监控（StatusMonitoring）：在程序执行过程中，实时查看机器人控制器或编程软件界面显示的当前关节角度、目标点坐标、速度、加速度、传感器信号、错误代码等信息。原理：通过对比当前状态与预期状态，发现偏差和问题。适用于：实时了解程序运行情况、诊断运动异常、检查传感器信号、分析错误原因。4.仿真（Simulation）：在编程软件或专用仿真平台中运行程序，观察机器人的虚拟运动轨迹、姿态以及与虚拟环境的交互情况。原理：在虚拟环境中预演程序行为，提前发现碰撞、路径规划错误等问题，而无需实际移动机器人。适用于：复杂路径规划验证、碰撞检测、离线编程与调试、远程监控。七、I/O信号定义、配置及编程示例：*输入信号（InputSignal）：连接到机器人控制器，用于接收来自外部设备或环境的开关量（ON/OFF）或模拟量信号。例如，按钮、传感器（限位开关、安全门锁、光电开关、接近开关）、急停按钮等。机器人可以通过读取输入信号的状态来感知外部事件或环境变化。*输出信号（OutputSignal）：由机器人控制器发出，用于控制外部设备的开关量或模拟量。例如，指示灯、继电器、电磁阀、电机驱动器、其他机器人或PLC等。机器人可以通过发送输出信号来驱动外部设备执行特定动作。*配置数字输入信号（检测安全门）：*在编程软件或控制器参数设置中，为该输入信号分配一个唯一的地址（如`Input10`）。*将物理安全门开关连接到该输入信号的接线端子。*配置信号类型为“数字输入”。*配置信号模式，例如“常开”（NormallyOpen）或“常闭”（NormallyClosed），取决于开关的正常状态。*配置数字输出信号（控制气缸）：*为该输出信号分配一个唯一的地址（如`Output20`）。*将气缸的驱动线圈或电磁阀连接到该输出信号的接线端子（可能需要额外的驱动电路）。*配置信号类型为“数字输出”。*配置信号模式（如“继电器输出”或“晶体管输出”）。*编程示例（读取输入，控制输出）：```//检测安全门状态READSafetyDoorSignal//读取地址为SafetyDoorSignal的输入信号IFSafetyDoorSignal==1//假设1表示门已关闭/安全状态//执行主要任务程序段...//...ELSE//如果门未关闭，则发送警告或停止程序DisplayWarning("SafetyDoorOpen!")STOP//停止机器人所有运动ENDIF//控制气缸启动WRITECylinderControlSignal//写入地址为CylinderControlSignal的输出信号1//发送1信号，启动气缸（假设1表示启动）//延时或等待气缸动作完成...WRITECylinderControlSignal//发送0信号，停止气缸（假设0表示停止）```八、人机协作与安全编程的区别及安全措施：*主要区别：*安全策略：传统机器人通常采用硬隔离（安全围栏）或严格的区域分割，并要求安全操作员。协作机器人则设计用于在近人环境下与人共享空间，强调的是机器人的“安全特性”和“风险降低”，允许在特定条件下（速度、力量限制）进行人机交互。*编程重点：传统编程主要关注任务的精确完成和效率。协作机器人编程除了完成任务外，必须将安全逻辑作为核心部分，需要考虑人机交互的可能性，并编程实现相应的安全功能。*控制模式：协作机器人通常具有多种运行模式（如能量水平、速度限制模式），编程时需要配置或考虑这些模式对机器人行为的影响。传统机器人一般只有启停控制。*编程时考虑的关键安全措施/逻辑：*速度和力量限制：在程序中设置或配置机器人运动的速度和/或作用力/力矩限制，确保在与人接触时风险在可接受范围内。*安全区域/速度区域（SpeedandSeparationMonitoring）：编程定义允许机器人进入的安全工作区域，并配置算法监控机器人与人的距离。如果人或物体进入该区域且机器人速度过快，机器人会自动减速甚至停止。*外部输入处理：编程实现对安全输入信号（如安全按钮、安全门锁信号）的读取和响应逻辑，确保在触发安全事件时，机器人能立即执行安全动作（如停止、返回原点）。*碰撞检测与响应：如果机器人配备碰撞检测功能（如力传感器），编程需要包含处理碰撞事件的逻辑，例如在检测到碰撞时立即减速或停止。*紧急停止（E-Stop）：确保程序能够正确响应紧急