工业AI2025年《机器人技术》专项练习卷

工业AI2025年《机器人技术》专项练习卷考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分）1.以下哪一项不属于工业机器人的主要组成部分？A.机械臂B.控制系统C.感知系统D.操作人员界面2.在机器人坐标系中，工具坐标系主要用于定义：A.机器人基座的位置B.机器人末端执行器在基坐标系中的位置和姿态C.机器人手臂各关节的旋转角度D.机器人工作空间的世界坐标系3.机器人能够实现复杂空间轨迹运动的关键技术是：A.传感器技术B.运动学逆解算法C.动力学建模D.网络通信技术4.以下哪种传感器主要利用光学原理，通过发射和接收激光束来测量距离？A.接近传感器B.超声波传感器C.激光雷达（LiDAR）D.红外传感器5.工业机器人按照控制方式分类，不包括以下哪类？A.点位机器人B.连续轨迹机器人C.协作机器人D.空间机器人6.机器人需要同时确定多个关节角度以到达末端执行器目标位置，这个过程属于：A.正运动学问题B.逆运动学问题C.运动学标定D.控制算法设计7.在工业自动化生产线中，用于精确抓取和放置工件，通常采用哪种类型的控制模式？A.手动控制模式B.点位控制模式C.轨迹控制模式D.自适应控制模式8.以下哪项不是工业机器人应用领域？A.汽车制造B.食品包装C.外科手术D.纺织印染9.机器学习算法在机器人技术中的主要应用不包括：A.提高机器人感知能力（如视觉识别）B.优化机器人路径规划C.实现机器人自主决策D.设计机器人机械结构10.协作机器人（Cobots）的核心特点之一是：A.必须在物理屏障隔离下工作B.力矩和速度限制较低，能与人类近距离安全协作C.仅适用于高温或危险环境D.只能执行简单的重复性任务二、填空题（每空1分，共15分）1.工业机器人通常具有______个自由度。2.将机器人基坐标系下的位姿转换到世界坐标系下的过程，涉及坐标变换矩阵。3.机器人控制系统通常分为______、______和______三个层次。4.基于机器视觉的缺陷检测是机器人______系统的重要应用。5.机器人路径规划算法的目标通常是在满足约束条件的前提下，找到______或______的路径。6.工业AI通过______等技术，提升了机器人的自主感知、决策和控制能力。7.机器人安全标准中，ISO/TS15066主要针对______的应用。8.机器人与PLC（可编程逻辑控制器）的连接通常通过______或______实现。9.数字孪生（DigitalTwin）技术可以用于机器人的______、______和______。三、判断题（每题1分，共10分）1.机器人的自由度越多，其运动灵活性就越高。（）2.机器人的关节坐标系是固定在机器人本体上的。（）3.闭环控制是指控制系统的输出直接反馈到输入端，用于修正误差。（）4.激光雷达（LiDAR）可以提供高精度的距离测量和三维环境信息。（）5.工业机器人主要用于替代人类的繁重、重复或危险劳动。（）6.人工智能（AI）的发展对机器人技术的进步起到了重要的推动作用。（）7.人机协作机器人（Cobots）可以完全替代传统工业机器人。（）8.机器人的标定是指确定机器人各关节实际转角与编码器读数之间的对应关系。（）9.机器人控制系统中的伺服系统负责执行控制命令，驱动机器人运动。（）10.工业机器人在应用中通常需要与其他自动化设备（如传送带、AGV）进行集成。（）四、简答题（每题5分，共20分）1.简述工业机器人运动学正问题和逆问题的区别。2.简述工业机器人安全操作的基本要求。3.简述机器学习在提升机器人感知能力方面的作用。4.简述工业机器人系统集成的主要包含哪些方面。五、综合应用题（10分）某工业场景需要使用机器人进行物料的自动搬运，物料堆放在A点，需要被搬运到B点。请简述设计该机器人搬运任务规划方案时，需要考虑的主要因素和可能的步骤。试卷答案一、选择题1.D2.B3.B4.C5.D6.B7.B8.C9.D10.B解析思路：1.操作人员界面是机器人与人类交互的媒介，但不是机器人本身的组成部分。A、B、C都是机器人必需的核心部分。2.工具坐标系定义了机器人末端执行器（如夹爪）的姿态和位置，是执行任务的基础，需要相对于基坐标系进行定义。3.逆运动学算法是让机器人手臂通过计算，根据末端执行器的目标位置和姿态，反解出需要各个关节旋转到什么角度。4.激光雷达（LiDAR）的工作原理就是发射激光脉冲并接收反射信号来测量距离，这是其核心特点。5.机器人按控制方式分类主要是点位、连续轨迹和关节型等。协作机器人是按应用或安全特性分类。6.正运动学是已知各关节角度，计算末端执行器的位置和姿态；逆运动学是已知末端执行器目标位姿，计算各关节需要转动的角度。7.点位控制模式适用于需要精确到达指定位置的任务，如抓取和放置工件，强调的是位置精度。8.外科手术虽然涉及机器人，但通常指医疗手术机器人，与典型的工业生产线应用（制造、装配、搬运等）有所区别。9.设计机器人机械结构属于机械设计领域，虽然AI可以辅助设计，但核心算法和结构设计本身不属于机器学习直接应用范畴。A、B、C都是AI在机器人领域的典型应用。10.协作机器人的核心特点就是设计上就考虑了安全，可以在无安全围栏的情况下与人类近距离安全协作，通常带有力控和速度限制。二、填空题1.六2.世界坐标系3.元件级/驱动级，平台级/臂架级，主控级/系统级4.感知5.最短，最高效（或最平滑等，只要符合工程实际即可）6.机器学习，深度学习（或其他相关AI技术如计算机视觉、自然语言处理等也可酌情接受）7.人机协作8.通信协议（如Modbus，Profinet等），现场总线9.模型构建，仿真分析，性能优化三、判断题1.√2.√3.√4.√5.√6.√7.×（协作机器人是机器人的一种类型，不能完全替代所有传统机器人）8.√9.√10.√解析思路：1.自由度定义了机器人运动能力的复杂程度，自由度越多，能实现的运动形式越丰富，灵活性越高。2.工具坐标系是固定在末端执行器上的坐标系，其原点和姿态是相对于机器人基坐标系定义的，因此是固定在本体上的（相对于末端）。3.闭环控制是控制系统的一种反馈形式，通过测量输出并反馈修正输入，以减小误差，提高精度和稳定性。4.激光雷达利用飞行时间（TimeofFlight,ToF）原理测量距离，可以提供高分辨率、高精度的距离信息和三维点云数据。5.工业机器人替代人类的原因主要是提高效率、精度、一致性，以及在高温、辐射、危险等环境下工作，这是其核心价值。6.AI提供了更强大的感知（视觉、听觉）、决策（规划、学习）能力，使得机器人更智能、更自主，是重要的使能技术。7.协作机器人是设计用于与人安全协作的，但传统工业机器人仍在许多精度要求高、负载大、环境恶劣的场景中发挥着不可替代的作用，两者是互补而非完全替代关系。8.机器人标定主要是为了消除系统误差，确保机器人实际运动状态与控制指令的匹配度，其中关键一步就是标定关节编码器读数与关节实际位置的对应关系。9.伺服系统是机器人的执行机构，负责接收来自控制系统的指令，驱动机器人精确运动。10.自动化生产线是系统工程，机器人只是其中一个环节，通常需要与传送带、AGV、PLC、MES等系统进行集成才能完成整个生产流程。四、简答题1.简述工业机器人运动学正问题和逆问题的区别。解析思路：区分正问题和逆问题的关键在于输入和输出的变量不同。正问题已知输入（关节角度），求输出（末端位姿）；逆问题已知输出（末端位姿），求输入（关节角度）。它们是互为逆运算的关系，但逆问题通常比正问题更复杂，可能存在多解或无解的情况。答案：工业机器人运动学正问题是指已知机器人各关节的关节角度，通过正向运动学模型计算得出机器人末端执行器（手爪）在特定坐标系下的位置和姿态。而逆运动学问题则是已知机器人末端执行器的目标位置和姿态，求解使得末端达到该目标状态时，各关节需要转动的角度。正问题是正向计算，通常有唯一解；逆问题可能是无解、多解或需要特定解算策略（如雅可比矩阵伪逆、D-H参数法等）。2.简述工业机器人安全操作的基本要求。解析思路：工业机器人安全操作要求涵盖物理安全、操作规范、环境防护等多个方面。要点包括：设置安全区域和防护措施（如安全围栏、光栅、安全门锁），确保机器人状态正常（如空载运行检查），遵守操作规程（如启动前确认、运行中远离、紧急停止使用），穿戴个人防护装备（PPE），进行必要培训等。答案：工业机器人安全操作的基本要求包括：设置物理安全防护，如安全围栏、光栅或激光扫描仪，确保人员无法意外进入危险区域；操作前进行设备检查，确认机器人、工具、传感器等状态正常；严格遵守操作规程，启动前确认周围环境，运行时保持安全距离，禁止在机器人运行时进行维护或调整；正确使用紧急停止按钮；操作人员需经过专业培训，了解机器人性能和安全特性；根据需要佩戴个人防护装备（如安全帽、防护眼镜、手套）；确保机器人系统符合相关安全标准（如ISO10218）。3.简述机器学习在提升机器人感知能力方面的作用。解析思路：机器学习，特别是深度学习，在机器人感知方面的作用主要是处理和分析传感器数据，使机器人能够像人一样理解环境。可以应用于视觉识别（物体检测、分类、跟踪）、语义场景理解、传感器融合、异常检测等，从而提升机器人的环境感知精度和智能化水平。答案：机器学习在提升机器人感知能力方面发挥着关键作用。通过训练模型处理来自视觉（摄像头）、激光雷达、力觉等传感器的数据，机器学习可以使机器人实现更精确的目标检测与识别（如识别零件类型、定位工件）、环境地图构建与理解（如SLAM中的语义分割）、路径规划（避开动态障碍物）、表面缺陷检测等。深度学习等先进算法能够从大量数据中自动学习特征，显著提高感知的准确性和鲁棒性，使机器人对环境的理解更加智能和深入。4.简述工业机器人系统集成的主要包含哪些方面。解析思路：工业机器人系统集成是一个复杂的过程，旨在将机器人融入整个生产流程。主要方面应包括：需求分析、方案设计（机器人选型、工作单元布局）、硬件集成（机器人、控制器、传感器、执行器、输送线等连接）、软件编程与控制（机器人程序编写、系统通讯设置）、安全防护设计、网络通讯配置、系统调试与测试、操作培训、维护手册提供等。答案：工业机器人系统集成主要包含以下方面：首先进行需求分析和现场勘查；然后设计整体方案，包括选择合适的机器人型号、确定工作单元布局和流程；接着进行硬件集成，将机器人、控制器、各种传感器（视觉、力觉等）、执行器（如夹爪）、外围设备（如传送带、加工单元）等连接起来；进行软件编程，编写机器人控制程序和系统通讯逻辑；设计并安装必要的安全防护设施；配置网络通讯，实现机器人与PLC、MES等系统的数据交互；最后进行全面的系统调试、性能测试，并对操作人员进行培训，并提供完整的操作和维护手册。五、综合应用题某工业场景需要使用机器人进行物料的自动搬运，物料堆放在A点，需要被搬运到B点。请简述设计该机器人搬运任务规划方案时，需要考虑的主要因素和可能的步骤。解析思路：设计搬运任务规划方案需要系统性地思考。主要因素应涵盖机器人本身、任务需求、环境、安全等。步骤上应从理解任务到具体执行，包括路径规划、动作规划、交互逻辑等。需要考虑的因素有：A点和B点的位置与姿态、物料尺寸与特性、机器人负载能力与工作范围、搬运路径上是否有障碍物、机器人运动速度与精度要求、是否存在与其他设备的交互需求、安全规范等。可能的步骤包括：分析任务需求->选择合适的机器人型号->确定机器人工作点（A、B点）及路径->进行路径规划（考虑避障）->编写机器人搬运程序（包括抓取、运动、放置动作）->设置传感器（如视觉确认位置/姿态）->系统集成与调试->安全检查与测试。答案：设计该机器人搬运任务规划方案时，需要考虑的主要因素包括：1.任务参数：A点和B点的具体位置坐标及高度、物料的大小、形状、重量和易碎性等。2.机器人能力：选用机器人的负载能力、工作范围、速度、精度是否满足要求。3.环境因素：搬运路径上是否存在固定或移动障碍物、地面平整度、是否有足够的空间进行抓取和放置操作。4.安全要求：是否需要安全防护措施、与人协作时需满足的安全距离和力限制