2025年高职机器人控制(控制技术)模拟考核试卷及答案

2025年高职机器人控制(控制技术)模拟考核试卷及答案一、单项选择题（每题2分，共20分。每题只有一个正确答案，请将正确选项字母填入括号内）1.在工业机器人关节伺服系统中，若采用位置环、速度环、电流环三环串级控制，则最外环是（）。A.电流环  B.速度环  C.位置环  D.力矩环答案：C2.某六轴机器人第三关节采用谐波减速器，其减速比为120:1，若电机端编码器分辨率为17bit，则关节端理论位置分辨率为（）角秒。A.0.73  B.1.2  C.2.4  D.4.8答案：A3.在基于EtherCAT的分布式控制架构中，DC（DistributedClock）机制主要解决（）问题。A.带宽不足  B.从站节点掉线  C.时钟同步  D.数据加密答案：C4.若某关节电机额定转速3000r/min，额定电压48V，采用PWM驱动，占空比60%，忽略损耗，则此时电机端平均电压为（）V。A.28.8  B.48  C.60  D.80答案：A5.在机器人动力学参数辨识实验中，若采用加权最小二乘法，权重矩阵通常选择（）的逆矩阵。A.观测矩阵  B.输入矩阵  C.协方差矩阵  D.惯性矩阵答案：C6.下列关于力位混合控制的说法，错误的是（）。A.需要建立约束坐标系  B.位置环与力环可并行运行  C.无需知道环境刚度即可稳定  D.需实时切换控制模式答案：C7.若某SCARA机器人在XY平面做直线插补，起点(0,0)，终点(400,300)，采用梯形速度规划，最大速度500mm/s，加速度2500mm/s²，则加速段时间为（）s。A.0.1  B.0.2  C.0.4  D.0.5答案：B8.在ROS2中，用于实时发布关节位置数据的接口类型为（）。A.sensor_msgs/JointState  B.trajectory_msgs/JointTrajectory  C.control_msgs/JointControllerState  D.std_msgs/Float64MultiArray答案：A9.某机器人末端执行器质量2kg，重心距离法兰盘100mm，若安装加速度计测得法兰角加速度为50rad/s²，则因惯性产生的附加力矩为（）Nm。A.0.5  B.1  C.2  D.5答案：B10.在基于图像的视觉伺服（IBVS）中，若图像特征点深度未知，需引入（）估计器。A.卡尔曼  B.龙伯格  C.深度递推  D.滑模答案：C二、多项选择题（每题3分，共15分。每题有两个或两个以上正确答案，多选、少选、错选均不得分）11.下列哪些属于机器人关节伺服驱动器过流保护的硬件级措施（）。A.霍尔电流传感器  B.分流电阻采样  C.智能功率模块IPM过流关断  D.软件积分窗检测答案：A、B、C12.关于机器人正向运动学，下列说法正确的是（）。A.输入为关节角度向量  B.输出为末端位姿齐次矩阵  C.需用到DH参数表  D.需用到雅可比矩阵答案：A、B、C13.在基于阻抗控制的打磨应用中，需实时调节的阻抗参数包括（）。A.惯性  B.阻尼  C.刚度  D.电机极对数答案：A、B、C14.下列哪些属于工业现场总线（）。A.CANopen  B.RS485Modbus  C.EtherNet/IP  D.USB3.0答案：A、B、C15.若机器人控制系统采用双核ARMCortexA9+FPGA架构，FPGA可承担的任务有（）。A.电流环采样  B.编码器正交解码  C.轨迹规划  D.安全急停逻辑答案：A、B、D三、填空题（每空2分，共20分）16.某关节电机采用增量式2500线编码器，四倍频后每转脉冲数为________，若减速比为100:1，则关节端单圈分辨率为________脉冲。答案：10000；10017.在机器人动力学方程M(q)q¨+C(q,q˙)q˙+G(q)=τ中，M(q)表示________矩阵，C(q,q˙)q˙表示________力矩。答案：惯性；科氏与离心18.若某机器人末端速度为v=[200000010]Tmm/s与°/s，雅可比矩阵J为6×6矩阵，则关节速度q˙=________×v。答案：J的逆矩阵（或pinv(J)）19.在PID控制器离散化中，若采样周期T=1ms，积分系数Ki=0.1，则积分项累加公式为I(k)=I(k1)+________×e(k)。答案：0.000120.若某机器人基坐标系到末端坐标系的齐次变换矩阵为T，则其位置向量为T的第________列前________行元素。答案：4；321.在力控打磨中，若环境刚度为Ke=10000N/m，期望接触力Fd=20N，则期望位移偏移量为________mm。答案：222.若某伺服驱动器开关频率为8kHz，则PWM周期为________μs。答案：12523.在ROS2中，节点通过________机制发现彼此，底层默认采用________协议。答案：DDS；UDP24.若机器人末端执行器需要绕工具坐标系Z轴旋转30°，则对应的等效轴角表示为轴向量k=[001]T，角度θ=________°。答案：3025.在基于模型预测控制（MPC）的轨迹跟踪中，预测时域为N，控制时域为Nc，则优化变量维度为________×Nc。答案：输入维数（或m）四、简答题（共5题，每题8分，共40分）26.封闭型简答：说明机器人关节伺服系统电流采样的三种常用方式，并比较其优缺点。答案：（1）分流电阻：成本低，精度中等，需差分放大，易受温度漂移影响；（2）霍尔传感器：隔离性好，精度高，成本较高，体积大；（3）内置IPM桥臂采样：无需外置电阻，布线简洁，但需快速采样保持电路，对ADC速度要求高。27.开放型简答：阐述基于深度强化学习的机器人抓取策略训练流程，并指出仿真到真实（Sim2Real）迁移的关键技术。答案：流程：1.构建仿真环境（MuJoCo/Gazebo），随机生成物体位姿与物理属性；2.设计状态空间（图像+深度+关节角度）、动作空间（末端速度或关节速度）、奖励函数（抓取成功+力惩罚+时间惩罚）；3.采用DDPG/PPO/SAC算法训练，并行采集经验池；4.保存策略网络。Sim2Real关键：1.域随机化（纹理、光照、摩擦、质量）；2.系统辨识补偿仿真动力学误差；3.图像风格迁移（GAN）缩小视觉差异；4.渐进式真实微调（finetuning）保持稳定性。28.封闭型简答：写出标准DH参数表的四个变量含义，并给出相邻连杆变换矩阵的一般形式（可用Mat公式）。答案：变量：θi为关节角，di为连杆偏距，ai为连杆长度，αi为连杆扭角。变换矩阵：T(i1,i)=Rot(z,θi)Trans(z,di)Trans(x,ai)Rot(x,αi)其中Rot(z,θi)=[cosθisinθi00;sinθicosθi00;0010;0001]Trans(z,di)=[1000;0100;001di;0001]Trans(x,ai)=[100ai;0100;0010;0001]Rot(x,αi)=[1000;0cosαisinαi0;0sinαicosαi0;0001]29.开放型简答：说明机器人安全等级PLd（ISO138491）的实现要点，并给出一条急停回路的架构示例。答案：要点：1.冗余通道（双通道输入、双MCU交叉监控）；2.诊断覆盖率DC≥99%；3.MTTFd高等级（>100年）；4.共因失效CCF≥65分；5.故障反应时间<500ms。架构示例：双通道急停按钮→双路安全继电器（带强制导向触点）→双路接触器冗余切断电机电源；安全继电器具备反馈回路检测粘连，任一通道断开即切断主回路，同时通过安全总线报告故障。30.封闭型简答：解释“零力控制”在协作机器人中的含义，并给出重力补偿算法的两步流程。答案：含义：通过实时补偿重力和摩擦力，使操作者可徒手拖拽机器人，感觉“零重力”。流程：1.基于动力学模型计算当前位姿下的重力矩G(q)和摩擦力矩F(q˙)；2.将期望力矩设为τ=G(q)+F(q˙)，关闭位置环，切换至力矩模式，实现零力示教。五、计算题（共3题，每题15分，共45分）31.已知某两连杆平面机械臂，连杆1长度l1=300mm，连杆2长度l2=250mm，关节角度q1=30°，q2=45°。（1）求末端位置(x,y)；（2）求雅可比矩阵J；（3）若希望末端产生速度vx=100mm/s，vy=0，求关节速度q˙1、q˙2。答案：（1）x=l1cosq1+l2cos(q1+q2)=300cos30+250cos75=259.8+64.7=324.5mmy=l1sinq1+l2sin(q1+q2)=300sin30+250sin75=150+241.5=391.5mm（2）J=[l1sinq1l2sin(q1+q2)l2sin(q1+q2);l1cosq1+l2cos(q1+q2)l2cos(q1+q2)]=[300sin30250sin75250sin75;300cos30+250cos75250cos75]=[150241.5241.5;259.8+64.764.7]=[391.5241.5;324.564.7]mm/rad（3）q˙=J^(1)[100;0]detJ=(391.5)(64.7)(241.5)(324.5)=25350+78367=53017J^(1)=(1/53017)[64.7241.5;324.5391.5]q˙1=(64.7100)/53017=0.122rad/s≈7°/sq˙2=(324.5100)/53017=0.612rad/s≈35°/s32.某直流无刷电机额定功率400W，额定转速3000r/min，额定电压48V，极对数4，减速比50:1，驱动器母线电压48V，PWM上限占空比95%。（1）求额定电磁转矩；（2）求额定电流；（3）若关节端需维持120Nm负载，求电机端所需电流（忽略损耗）；（4）判断占空比是否够用。答案：（1）额定转矩T=60P/(2πn)=60400/(2π3000)=1.27Nm（2）额定电流I=P/U=400/48=8.33A（3）负载矩120Nm→电机端T=120/50=2.4Nm电流I=2.4/1.278.33=15.7A（4）电机端电压需求U=(15.7/8.33)48=90.5V>48V，需升压；占空比95%对应平均电压0.9548=45.6V<90.5V，故占空比不够，需更换更高母线电压或更大减速比。33.某六轴机器人需完成点到点运动，关节空间最大速度q˙max=1.5rad/s，最大加速度q¨max=5rad/s²，起始角度q0=[000000]T，目标角度qf=[1.20.80.50.30.60.9]Trad。采用对称梯形规划，求：（1）最短运动时间tmin；（2）若要求运动时间延长至t=4s，重新计算匀速段速度；（3）写出第3关节在t=1s时的角度、速度、加速度表达式。答案：（1）单轴最大角位移Δq=1.2rad，梯形时间公式：tmin=2√(Δq/q¨max)=2√(1.2/5)=0.98s，取整1.0s（2）t=4s>1.0s，采用低速梯形：匀速段速度v=Δq/(ttacc)，tacc=v/q¨max联立得v=Δq/(tv/q¨max)→v²vq¨maxt+Δqq¨max=0解得v=0.3rad/s（3）第3关节Δq=0.5rad，tacc=v/q¨max=0.3/5=0.06st=1s处于匀速段：q(1)=q0+vt=0+0.31=0.3radq˙(1)=0.3rad/sq¨(1)=0六、综合应用题（共2题，每题20分，共40分）34.某工厂采用六轴机器人进行恒力打磨，打磨头质量1.5kg，环境曲面未知，要求垂直表面方向保持30N±2N。系统配置：六维力传感器位于腕部，采样频率1kHz，机器人控制器支持1ms插补周期，支持力位混合控制框架。任务：（1）设计控制框图，标明坐标系、信号流向、控制模式切换逻辑；（2）推导外环力控到内环位置修正的阻抗映射算法，给出Mat公式；（3）给出力传感器重力补偿与惯性力补偿的完整流程；（4）若传感器检测到力冲击超过50N，设计一条安全回退轨迹，要求2ms内开始回退，回退距离10mm，回退加速度不超过5000mm/s²，计算最小回退时间并给出梯形规划参数。答案：（1）框图：工具坐标系{T}定义Z轴垂直表面。力传感器→重力/惯性补偿→Fe。外环：力误差ΔF=FdFe，经阻抗模型生成位移修正Δx。内环：Δx经位置环生成速度指令，切换开关：正常力控模式，冲击>50N触发回退模式，速度指令由回退轨迹发生器提供。（2）阻抗映射：MdΔx¨+BdΔx˙+KdΔx=ΔF离散化：Δx(k)=ΔF(k)/(Kd+Bd/T+Md/T²)其中Md=0.1kg，Bd=50Ns/m，Kd=1000N/m，T=0.001s（3）补偿流程：a.读取当前关节角度q，计算工具姿态R；b.根据质量m=1.5kg，重心r=[0050]Tmm，计算重力在传感器坐标系下的力Fg=R[00mg]T和力矩Mg=r×Fg；c.读取机器人加速度a、角加速度α，计算惯性力Fi=ma，惯性力矩Mi=Iα；d.补偿后Fe=FrawFgMgFiMi（4）回退：最大加速度amax=5000mm/s²，距离s=10mm，对称梯形：tmin=2√(s/amax)=2√(10/5000)=0.089s=89ms加速段时间tacc=tmin/2=44.5ms，最大速度v=amaxtacc=222.5mm/s规划参数：加速段44.5ms，减速段44.5ms，匀速段0，总时间89ms<2ms限制不可行，故采用极限减速：令tacc=1ms，则v=50000.001=5mm/s，sacc=0.55000(0.001)²=0.0025mm，剩余9.9975mm以5mm/s匀速，t匀速=1.9995s，总时间2.0005s，满足2ms内开始条件。35.某物流仓库采用移动协作机器人（AMR+六轴）进行拣选，AMR最大速度1.5m/s，定位精度±10mm，六轴重复定位精度±0.02mm，需完成“视觉定位抓取放置”循环，节拍≤8s。物品尺寸80×60×40mm，质量0.5kg，随机摆放在深400mm的料箱中。任务：（1）设计整体系统架构，列出感知、规划、控制、执行四层模块及数据接口；（2）计算视觉定位允许的最大时间预算，保证8s节拍；（3）若采用eyeinhand相机，焦距f=16mm，像素尺寸2.2μm，工作距离400mm，求单像素对应物空间分辨率，并判断是否满足±0.5mm抓取精度；（4）给出AMR与六轴的协同规划策略，避免振动与滑移；（5）若网络丢包率1%，设计一条冗余通信机制，保证急停信号100ms内必达。答案：（1）架构：感知层：RGBD相机+AMR激光雷达→ROS2话题/image、/scan；规划层：MoveLite节点