2025年高性能制造机器人技术真题卷

2025年高性能制造机器人技术真题卷考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的代表字母填在题后的括号内）1.在机器人运动学逆运动学求解中，当给定末端执行器的位姿，若在笛卡尔空间中存在多个解，则在关节空间中通常对应着（）个解。A.1B.2C.4D.无穷多2.对于需要进行快速、高精度直线运动的应用，相比传统旋转电机配合丝杠传动，直接使用直线电机的主要优势在于（）。A.成本更低B.运动行程更大C.运动平稳性更好D.控制更简单3.机器人控制系统中，用于补偿机器人模型不确定性和外部干扰，使系统输出跟踪期望轨迹更精确的控制方法是（）。A.PID控制B.PID控制C.自适应控制D.最小二乘法4.在机器人操作臂的关节处安装编码器，其主要目的是精确测量（）。A.末端执行器位置B.关节角速度C.关节角位移D.作用在关节上的力矩5.能够同时测量作用在物体表面多个点的力或力矩的传感器是（）。A.接触式位移传感器B.压力传感器C.力/力矩传感器（六轴）D.触觉传感器6.在基于机器视觉的机器人引导装配任务中，通常需要使用（）来识别和定位装配工位上的零件。A.2D相机进行特征提取B.3D相机进行距离测量C.红外传感器进行热成像D.超声波传感器进行距离探测7.机器人工作空间指的是机器人臂端执行器能够到达的（）。A.符合安全操作要求的区域B.在特定精度要求下的最大范围C.三维空间中的所有点集合D.与其他设备有效协同的区域8.以下哪种技术不属于机器人柔顺控制范畴？（）A.阻抗控制B.导向控制C.PID位置控制D.摩擦补偿控制9.在机器人与PLC或上位机进行通讯时，常用的工业以太网协议有（）。A.TCP/IPB.Ethernet/IPC.ModbusTCPD.以上都是10.协作机器人（Cobot）与传统的工业机器人相比，其最突出的特点是（）。A.价格更低廉B.自主导航能力强C.能够在人机共享空间内安全协作D.运动速度更快二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填写在横线上）1.机器人的运动学分析不涉及系统的______和______。2.机器人动力学分析的核心目标是建立机器人运动与______之间的关系模型。3.PID控制器中，P代表______控制，I代表______控制，D代表______控制。4.为了提高机器人的动态响应速度和精度，需要对机器人动力学进行______。5.视觉传感器在机器人系统中常用于获取______信息和______信息。6.机器人本体设计时，提高结构刚度的常用方法是增加横截面积、选用______材料或采用______结构。7.机器人安全防护等级通常依据国际标准______进行划分。8.机器人离线编程（OLP）的主要优势在于可以在______状态下进行编程和仿真，提高编程效率。9.工业机器人通常采用______坐标系来描述其运动和姿态。10.机器学习在机器人领域的应用前景广阔，例如可用于______、______等方面。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述雅可比矩阵在机器人控制中的主要作用。2.简述影响机器人定位精度的主要因素。3.简述协作机器人在设计时需要考虑的主要安全特性。4.简述机器人工作站设计需要考虑的主要因素。四、计算题（每题10分，共30分）1.已知某3自由度机器人基坐标系{0}、第一个关节坐标系{1}、第二个关节坐标系{2}的D-H参数如下表所示（单位：度，m）：|i|θi|di|αi|ai||---|------|------|------|------||0|0|0|90°|0||1|θ1|0|0°|0.5m||2|θ2|0.3m|-90°|0|试用D-H参数法建立该机器人的正运动学方程（即用关节变量θ1,θ2表示末端执行器位姿的变换矩阵T01,T12,T02）。2.某机器人控制系统的传递函数为G(s)=10/(s(s+2))。试求该系统的阻尼比ζ和自然频率ωn。（提示：可先将传递函数转化为标准二阶系统形式）3.假设一个机器人需要沿直线从点A(x1=0,y1=0,z1=0,α1=0,β1=0,γ1=0)移动到点B(x2=1m,y2=1m,z2=0.5m,α2=0,β2=0,γ2=0)。机器人末端执行器在运动过程中始终保持水平姿态（β1=β2=0,γ1=γ2=0）。忽略奇异位形，请设计一个简单的关节空间轨迹规划方案（例如，假设机器人为2轴平面关节机器人，提供θ1(t)和θ2(t)的函数形式，并简要说明设计思路）。五、分析题（每题15分，共30分）1.比较基于传统视觉引导和基于机器视觉的柔顺控制方法在机器人装配任务中的应用特点、优缺点及适用场景。2.分析直线电机作为高性能机器人执行机构相比传统旋转电机+丝杠传动系统的优势，并探讨其可能存在的局限性或适用条件。试卷答案一、选择题1.C2.C3.C4.C5.C6.A7.C8.C9.D10.C二、填空题1.模型；质量2.力矩3.比例；积分；微分4.动态补偿5.空间；几何6.刚性；桁架7.ISO102188.真实9.基10.路径规划；人机交互三、简答题1.解析思路：雅可比矩阵是运动学正、逆解之间的桥梁。正运动学给出末端位姿与关节变量的关系，其雅可比矩阵J描述了末端位姿对关节变量的敏感度，即关节速度对末端速度的影响。在控制中，它用于将末端速度指令转换为关节速度指令（逆解），或者估算末端速度（正解）。通过J矩阵或其伪逆，可以实现速度控制、轨迹跟踪、力控制等。2.解析思路：机器人定位精度受多种因素影响。主要因素包括：机械部分，如关节间隙、齿轮传动误差、连杆制造精度、轴系刚性等；传感部分，如编码器精度、传感器标定误差、测量噪声等；控制部分，如控制算法精度、系统延迟、执行器响应误差等；环境因素，如温度变化引起的材料变形、振动干扰等。3.解析思路：协作机器人的核心是安全人机协作。设计时需考虑的主要安全特性包括：力/力矩限制（限制对人的作用力）、速度限制（限制相对速度）、安全区域与缓冲区（物理防护）、安全监控与检测（碰撞检测、紧急停止）、人机交互界面（状态显示、紧急按钮）、自动断电功能（安全模式）等。4.解析思路：机器人工作站设计是一个系统工程，需综合考虑多个因素。主要因素包括：任务需求（精度、速度、负载、工作范围）；机器人本体选型（自由度、性能参数）；末端执行器（夹具）设计；工作站布局与空间规划（避免干涉、优化流程）；安全防护措施（围栏、光栅、安全地毯）；电气控制系统（PLC、传感器、通讯）；人机交互界面（HMI）；环境适应性（温湿度、粉尘）；物流输送衔接等。四、计算题1.解析思路：根据D-H参数法，依次建立相邻坐标系间的变换矩阵T_i-1,i，然后通过矩阵乘法连乘得到末端执行器相对于基坐标系的变换矩阵T_0,6（或T_0,E）。每个变换矩阵T_i-1,i的表达式为：T_i-1,i=[R_i-1,i|i_i-1,i]*[i_i-1,i|0]=[R_i-1,i|0]*[i_i-1,i|0]=[R_i-1,i|0]*[cos(α_i),-sin(α_i),0,cos(α_i),sin(α_i),d_i]*[1,0,0,0,0,1]=[R_i-1,i|0]*[cos(α_i),0,0,sin(α_i),0,d_i]=[R_i-1,i*cos(α_i),0,0,R_i-1,i*sin(α_i),0,d_i]=[cos(α_i),0,0,sin(α_i),0,d_i]。其中R_i-1,i为旋转矩阵，i_i-1,i为平移向量。根据各关节的θ,d,α值，计算各变换矩阵并依次相乘得到T_0,2，再乘以T_2,E（末端平台相对于坐标系{2}的变换矩阵，若末端平台固定则通常为单位矩阵）得到最终结果T_0,E。注意角度单位转换为弧度。（注意：此处为计算过程框架，具体数值计算需代入θ1,θ2及角度转换后的弧度值进行矩阵乘法）T_0,1=[1000][0cosθ1sinθ10][0010][0001]=[1000][0cosθ1sinθ10][0010][0001]T_1,2=[cosθ20-sinθ20][0100][sinθ20cosθ20][0001]=[cosθ20-sinθ20][0100][sinθ20cosθ20][0001]T_0,2=T_0,1*T_1,2=...(进行矩阵乘法)T_2,E=[1000][0100][0010][0001](假设末端平台固连于{2})=IT_0,E=T_0,2*T_2,E=T_0,2最终结果T_0,E=[T11T12T13T14;T21T22T23T24;T31T32T33T34;T41T42T43T44](需具体计算得到数值)2.解析思路：将传递函数G(s)=10/(s(s+2))写成标准二阶系统形式G(s)=K/(s^2+2ζω_ns+ω_n^2)。比较分子分母系数，K=10。分母中，ω_n^2=2，故ω_n=sqrt(2)rad/s。分母中s的一次项系数为2ζω_n=2。将ω_n代入，得到2ζ*sqrt(2)=2，解得ζ=1/sqrt(2)=sqrt(2)/2=√2/2。3.解析思路：由于机器人末端始终保持水平姿态（β=γ=0），且沿直线从A到B移动，可以将问题简化为二维平面问题（假设机器人为2轴平面关节机器人，关节变量为θ1,θ2）。需要设计θ1(t)和θ2(t)的轨迹。一个简单的方案是采用线性插值或多项式插值（如三次样条）来规划θ1(t)和θ2(t)随时间变化的关系。例如，假设总运动时间为T，t∈[0,T]。θ1(t)可以线性插值：θ1(t)=(θ1_B-θ1_A)*(t/T)+θ1_A。θ2(t)也可以线性插值：θ2(t)=(θ2_B-θ2_A)*(t/T)+θ2_A。其中θ1_A,θ1_B,θ2_A,θ2_B是机器人达到点B时对应的θ1和θ2关节角。设计思路简述：首先根据点A、B的笛卡尔坐标和末端水平姿态，反解出对应的θ1_A,θ1_B,θ2_A,θ2_B。然后选择合适的轨迹函数形式（如三角函数、多项式等）对θ1和θ2进行插值，确保关节空间的连续性和平滑性，同时满足可能的奇异位形规避要求（此处简化未考虑）。最后得到时间t与关节角θ1(t),θ2(t)的函数关系。五、分析题1.解析思路：*传统视觉引导：通常指视觉系统只提供位置信息（如坐标偏移），机器人控制器根据此信息进行简单的PID补偿。特点：结构相对简单，成本较低。优点：实现简单。缺点：精度有限，抗干扰能力差，无法处理复杂的装配关系，通常需要刚性约束。适用场景：对精度要求不高，装配关系简单的引导任务。*基于机器视觉的柔顺控制：视觉系统提供丰富的环境信息和力信息（通过力/力觉传感器），机器人控制器不仅能控制位置，还能控制速度、力，实现与环境的柔性交互。特点：能够适应环境变化，实现更精密的装配。优点：精度高，柔顺性好，适应性强，可进行在线检测和引导。缺点：系统复杂度高，成本高，对环境光照要求高，需要复杂的算法设计。适用场景：精密装配、质量检测、与柔性体交互、人机协作装配等复杂任务。*比较：关键区别在于是否利用力信息进行控制以及是否具备适应环境的能力。柔顺控制是基于视觉（及力觉）实现的高级交互方式，而传统视觉引导只是利用视觉提供位置修正。柔顺控制能显著提升机器人在装配等任务中的性能和适应性。2.解析思路：*优势分析：*高速度：直线电机无中间传动环节，直接产生直线运动，加速度和最高速度远超传统丝杠系统。*高精度：没有丝杠螺母的回程间隙和啮合误差，传动精度高，可达微米级。*高