2025年3月机器人三级理论试题(真题及答案)

2025年3月机器人三级理论试题(练习题及答案)2025年3月机器人三级理论试题一、单项选择题（共10题，每题2分，共20分）1.工业机器人的自由度是指（）。A.机器人末端执行器在空间中独立运动的数目B.机器人关节的数量C.机器人能够到达的空间范围D.机器人控制系统的独立控制轴数2.以下传感器中，属于被动式环境感知传感器的是（）。A.激光雷达（LiDAR）B.视觉摄像头C.超声波传感器D.红外测距仪3.机器人运动学中，齐次变换矩阵的维度是（）。A.2×2B.3×3C.4×4D.5×54.工业机器人常用的减速器类型中，适用于高精度、大扭矩场景的是（）。A.圆柱齿轮减速器B.行星减速器C.谐波减速器D.蜗轮蜗杆减速器5.以下不属于机器人轨迹规划常用插值方法的是（）。A.线性插值B.圆弧插值C.样条插值D.指数插值6.PID控制中，积分项（I项）的主要作用是（）。A.减少系统稳态误差B.提高系统响应速度C.抑制系统超调D.增强系统抗干扰能力7.机器人坐标系中，基坐标系（BaseFrame）的原点通常定义在（）。A.机器人末端执行器中心B.机器人底座固定点C.工件坐标系原点D.工具坐标系原点8.以下关于机器人自由度与工作空间的关系，描述正确的是（）。A.自由度越多，工作空间一定越大B.自由度相同的机器人，结构不同会导致工作空间形状不同C.工作空间仅由末端执行器尺寸决定D.串联机器人的工作空间一定小于并联机器人9.编码器是机器人常用的位置检测元件，增量式编码器输出的信号是（）。A.绝对位置编码B.脉冲信号C.模拟电压信号D.数字编码序列10.机器人控制系统中，“示教再现”模式的核心是（）。A.实时计算轨迹B.存储示教时的位姿和速度信息C.在线调整控制参数D.自主规划路径二、多项选择题（共5题，每题3分，共15分。每题至少2个正确选项，错选、漏选均不得分）1.工业机器人的驱动方式包括（）。A.液压驱动B.气压驱动C.电动驱动D.磁悬浮驱动2.以下属于机器人感知层核心技术的是（）。A.激光SLAM定位B.力/力矩传感器信号处理C.关节伺服控制D.视觉目标识别3.机器人运动学正问题是指已知（），求解（）。A.各关节角度B.末端执行器位姿C.驱动力矩D.惯性参数4.以下关于机器人传感器的描述，正确的是（）。A.触觉传感器用于检测接触力和表面形状B.陀螺仪用于测量角速度C.温度传感器属于环境传感器D.编码器仅能检测旋转角度，无法检测直线位移5.机器人系统的组成通常包括（）。A.机械本体B.驱动系统C.控制系统D.感知系统三、填空题（共5题，每题3分，共15分）1.机器人的“三原则”由科幻作家______提出，核心是保护人类、服从指令、自我保护。2.工业机器人按结构分类，常见的有直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型和______型。3.机器人运动学中，DH参数法通过______个参数描述相邻连杆的相对位置和姿态。4.传感器融合技术中，卡尔曼滤波适用于______（填“线性”或“非线性”）系统的状态估计。5.机器人轨迹规划分为______空间规划和笛卡尔空间规划两类。四、简答题（共4题，每题8分，共32分）1.简述工业机器人与服务机器人的主要区别（从应用场景、精度要求、交互方式三方面说明）。2.说明PID控制器中比例（P）、积分（I）、微分（D）三个环节的作用及参数调整对系统性能的影响。3.什么是机器人的奇异性？举例说明一种常见的奇异位形及其危害。4.简述激光雷达（LiDAR）在移动机器人导航中的工作原理及典型应用场景。五、应用题（共3题，第1题8分，第2题10分，第3题10分，共28分）1.（运动学计算）某2自由度平面连杆机器人，连杆1长度L₁=0.5m，连杆2长度L₂=0.3m。已知关节1角度θ₁=30°（弧度制为π/6），关节2角度θ₂=45°（弧度制为π/4），求末端执行器的笛卡尔坐标（x,y）。（要求写出齐次变换矩阵推导过程）2.（控制分析）某机器人关节伺服系统出现阶跃响应超调量过大（>30%）、调节时间过长（>2s）的问题。假设当前PID参数为Kp=10，Ki=0.5，Kd=0.1，分析可能的原因并提出参数调整建议（需结合PID各环节作用说明）。3.（综合应用）某工厂采用6轴工业机器人进行零件搬运，近期出现“末端执行器定位偏差超过0.5mm”的故障。请列出可能的故障原因（至少5项），并设计排查流程（要求逻辑清晰，覆盖机械、电气、控制等方面）。2025年3月机器人三级理论试题答案一、单项选择题1.A（自由度定义为末端执行器在空间中独立运动的数目，关节数量可能多于自由度，如冗余机器人）2.B（视觉摄像头通过接收环境反射光工作，属于被动式；其他选项主动发射信号）3.C（齐次变换矩阵为4×4，包含旋转矩阵和位移向量）4.C（谐波减速器精度高、传动比大，适用于工业机器人关节）5.D（轨迹规划常用线性、圆弧、样条插值，指数插值不常见）6.A（积分项消除稳态误差，比例项提高响应速度，微分项抑制超调）7.B（基坐标系原点固定在机器人底座安装点）8.B（自由度相同但结构不同，如SCARA与六轴机器人，工作空间形状差异大）9.B（增量式编码器输出A/B/Z脉冲信号，绝对式输出编码序列）10.B（示教再现模式存储示教时的位姿、速度等信息，再现时复现）二、多项选择题1.ABC（磁悬浮驱动不用于常规工业机器人）2.ABD（关节伺服控制属于控制层，非感知层）3.AB（正问题：已知关节角度→求末端位姿；逆问题相反）4.ABC（直线位移可通过直线编码器检测，属于编码器的扩展应用）5.ABCD（机械本体+驱动+控制+感知是机器人四大核心系统）三、填空题1.阿西莫夫2.关节（或“多关节”）3.4（DH参数：关节角α、连杆长度a、连杆偏距d、连杆扭转角θ）4.线性（扩展卡尔曼滤波用于非线性系统）5.关节四、简答题1.答：应用场景：工业机器人用于结构化环境（如工厂生产线），服务机器人用于半/非结构化环境（如家庭、医院）。精度要求：工业机器人需高精度（±0.02mm级），服务机器人侧重安全性（±10mm级即可）。交互方式：工业机器人多为“人机分离”（通过示教盒操作），服务机器人需“人机协作”（语音、触觉交互）。2.答：比例（P）环节：输出与误差成正比，增大Kp可加快响应，但过大会导致超调；积分（I）环节：累积误差，消除稳态误差，增大Ki可减少静差，但过大会引起震荡；微分（D）环节：预测误差变化趋势，抑制超调，增大Kd可提高稳定性，但过大会放大噪声。3.答：奇异性指机器人雅可比矩阵行列式为零的位形，此时机器人失去一个或多个自由度（无法沿某方向运动）。示例：六轴机器人的“腕部singularities”（腕关节三轴线共面），此时末端无法绕某轴旋转，可能导致轨迹规划失败或冲击。4.答：工作原理：激光雷达发射激光脉冲，通过接收反射光计算时间差（TOF），结合旋转扫描获取周围物体的距离和角度信息，生成点云数据。典型场景：移动机器人SLAM建图（如仓储AGV导航）、避障（如服务机器人在复杂环境中规避行人）。五、应用题1.解：平面2自由度机器人的齐次变换矩阵为：连杆1变换矩阵T₁=[cosθ₁,sinθ₁,0,L₁cosθ₁;sinθ₁,cosθ₁,0,L₁sinθ₁;0,0,1,0;0,0,0,1]连杆2变换矩阵T₂=[cosθ₂,sinθ₂,0,L₂cosθ₂;sinθ₂,cosθ₂,0,L₂sinθ₂;0,0,1,0;0,0,0,1]末端位姿矩阵T=T₁×T₂计算x坐标：L₁cosθ₁+L₂cos(θ₁+θ₂)=0.5×cos(30°)+0.3×cos(75°)≈0.5×0.866+0.3×0.259≈0.433+0.078≈0.511my坐标：L₁sinθ₁+L₂sin(θ₁+θ₂)=0.5×sin(30°)+0.3×sin(75°)≈0.5×0.5+0.3×0.966≈0.25+0.290≈0.540m最终坐标：(0.511m,0.540m)2.答：问题分析：超调量大可能因比例系数Kp过大（系统响应过冲）；调节时间长可能因积分系数Ki过小（误差消除慢）或微分系数Kd过小（抑制震荡能力弱）。调整建议：减小Kp（如降至8）以降低超调；增大Ki（如升至0.8）以加快稳态误差消除；增大Kd（如升至0.3）以抑制震荡，缩短调节时间。3.答：可能故障原因：①机械部分：减速器磨损（间隙增大）、连杆变形（加工误差累积）、末端执行器松动；②电气部分：编码器信号干扰（线缆接触不良）、伺服电机扭矩不足（驱动器故障）；③控制部分：轨迹规划参数错误（速度/加速度设置过高）、坐标系标定误差（基坐标系或工具坐标系未