2025年机器人技术与应用专业试题及答案

2025年机器人技术与应用专业试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.以下关于机器人DH参数（Denavit-Hartenberg参数）的描述中，正确的是（）。A.用于描述机器人连杆长度与关节角度的映射关系B.每个连杆需要4个独立参数定义其相对于前一连杆的位姿C.仅适用于串联机器人，不适用于并联机器人D.齐次变换矩阵中仅包含旋转信息，平移信息由附加参数表示答案：B2.工业机器人雅可比矩阵的物理意义是（）。A.关节空间速度与操作空间速度的线性映射关系B.末端执行器位姿与关节角度的非线性关系C.机器人动力学模型中惯性矩阵的简化形式D.传感器数据与控制指令的转换矩阵答案：A3.激光雷达（LiDAR）在机器人导航中主要用于（）。A.测量目标物体的颜色与纹理B.获取环境的三维点云数据以构建地图C.检测机器人关节的力矩变化D.实现高精度的力控制反馈答案：B4.以下哪种控制模式适用于机器人与环境接触的作业场景（如装配、打磨）？（）A.位置控制模式B.速度控制模式C.力/位混合控制模式D.轨迹跟踪控制模式答案：C5.机器人运动学逆解的主要难点在于（）。A.计算关节空间到操作空间的线性映射B.解决多解性问题及奇异性规避C.优化机器人动力学参数D.实现传感器数据的实时融合答案：B6.以下哪种传感器常用于机器人触觉感知？（）A.惯性测量单元（IMU）B.压电薄膜阵列传感器C.双目视觉相机D.超声波测距仪答案：B7.服务机器人的SLAM（同步定位与地图构建）技术中，回环检测的主要作用是（）。A.提高激光雷达的扫描频率B.修正长期运行中累积的定位误差C.优化机器人路径规划的平滑性D.增强机器人对动态障碍物的识别能力答案：B8.工业机器人的重复定位精度通常指（）。A.多次运动后末端执行器回到同一位置的最大偏差B.单次运动中末端执行器到达目标位置的绝对误差C.机器人关节角度的最小分辨精度D.机器人负载变化对定位精度的影响程度答案：A9.以下关于并联机器人的描述中，错误的是（）。A.通常具有较高的刚度和承载能力B.运动学正解比逆解更复杂C.工作空间相对于串联机器人更大D.适用于需要高精度、高速度的作业场景（如3D打印）答案：C10.机器人操作系统（ROS）中，节点（Node）的核心功能是（）。A.管理传感器数据的存储与调用B.实现不同模块间的通信与协作C.优化机器人控制算法的计算效率D.提供人机交互的图形界面答案：B二、填空题（每空2分，共20分）1.机器人齐次变换矩阵的维度为______，其同时包含______和______信息。答案：4×4；旋转；平移2.PID控制算法中的三个参数分别是______、______和______。答案：比例系数（Kp）；积分系数（Ki）；微分系数（Kd）3.工业机器人的典型驱动方式包括______、______和______（至少写出三种）。答案：电机驱动；液压驱动；气动驱动4.SLAM技术的全称是______，其核心任务是______。答案：同步定位与地图构建；在未知环境中实时估计机器人位置并构建环境地图三、简答题（每题8分，共40分）1.简述串联机器人与并联机器人的结构特点及典型应用场景。答案：串联机器人由一系列连杆通过关节首尾相连构成，结构开放，工作空间大但刚度较低，适用于焊接、搬运等需要大作业范围的场景（如工业机械臂）。并联机器人通过多个分支连杆将动平台与静平台连接，结构封闭，刚度高、精度高但工作空间小，适用于需要高精度、高速度的场景（如Delta机器人分拣、医疗手术机器人）。2.比较机器人位置控制与力控制的区别，并说明二者在实际应用中的结合方式。答案：位置控制以跟踪目标轨迹为目标，通过反馈末端位置误差调整关节驱动；力控制以跟踪目标接触力为目标，通过反馈接触力误差调整控制指令。实际中，力/位混合控制通过分解操作空间为位置控制方向（如自由运动方向）和力控制方向（如接触约束方向），分别设计控制器，适用于装配、打磨等需要同时控制位置和力的场景。3.解释机器人轨迹规划中“多项式插值”与“样条插值”的优缺点。答案：多项式插值通过n次多项式拟合起点和终点的位置、速度、加速度，计算简单但高阶多项式可能导致中间轨迹波动（如5次多项式）；样条插值将轨迹分段用低次多项式（如3次样条）拟合，保证各段连接处的连续性（位置、速度、加速度），轨迹更平滑，但计算复杂度较高，适用于需要高精度平滑运动的场景（如医疗机器人）。4.说明多传感器融合技术在机器人导航中的必要性，并列举两种常用融合方法。答案：单一传感器存在局限性（如相机受光照影响、激光雷达在透明物体上失效），多传感器融合可互补信息，提高导航的鲁棒性和精度。常用方法包括卡尔曼滤波（线性系统状态估计）、扩展卡尔曼滤波（非线性系统）、粒子滤波（非高斯噪声场景），以及基于深度学习的端到端融合（如将视觉与IMU数据输入神经网络输出位姿）。5.分析工业机器人离线编程（OLP）的关键技术及优势。答案：关键技术包括机器人运动学建模、虚拟环境构建（CAD模型导入）、路径规划与碰撞检测、后置处理（生成机器人控制器可识别的代码）。优势：避免占用实际生产线时间，提高编程效率；支持复杂轨迹的预验证（如避免碰撞）；适用于小批量多品种生产的快速换线需求。四、综合分析题（每题15分，共30分）1.某汽车制造厂需引入一台六自由度工业机械臂完成汽车车门的精密装配任务（装配间隙要求≤0.1mm），请分析其关键技术需求及解决方案。答案：关键技术需求及解决方案：（1）高精度定位：需重复定位精度≤0.05mm的机械臂（如采用谐波减速器+高精度编码器），结合视觉引导系统（如双目相机+特征点匹配）补偿机械误差，实现毫米级定位。（2）力控制能力：装配过程中需感知接触力（如通过腕部力传感器），采用阻抗控制模式，根据力反馈调整插入速度和角度，避免因位置误差导致的零件损坏。（3）轨迹规划平滑性：采用7次多项式或B样条插值规划装配轨迹，确保速度、加速度连续，减少冲击振动（振动会导致间隙超差）。（4）环境适应性：车间存在温湿度变化，需对机械臂进行热误差补偿（如通过温度传感器+误差模型修正关节角度）；同时，利用激光雷达或3D相机实时检测工件位置偏移（如吊装车门可能因夹具松动偏移），动态调整目标位姿。2.设计一个用于老年人陪伴的服务机器人，需具备自主导航、情感交互、日常提醒功能。请分析其硬件架构与核心软件模块。答案：（1）硬件架构：-感知层：激光雷达（环境建图）、深度相机（障碍物检测）、麦克风阵列（语音定位）、摄像头（表情识别）、IMU（姿态感知）、温湿度传感器（环境监测）。-控制层：主控制器（如工控机或嵌入式GPU，运行ROS系统）、电机驱动板（控制轮式底盘）、舵机（控制头部/手臂动作）。-执行层：扬声器（语音交互）、显示屏（表情显示）、机械臂（轻量物品递取）。（2）核心软件模块：-导航模块：基于SLAM（如Cartographer）构建地图，A或Dijkstra算法全局路径规划，动态窗口法（DWA）局部避障，适应家庭动态环境（如移动的家具、行人）。-情感交互模块：自然语言处理（NLP）实现语音理解（如意图识别“提醒吃药”），面部表情识别（CNN模型分类高兴/悲伤等情绪），结合对话历史生成情感化回应（如“奶奶，今天天气好，我们出去走走吧？”）。-提醒功能模块：日历同步（与手机/智能手表联动），设置定时任务，通过语音+屏幕显示双重提醒；若老人未响应，触发紧急联络（如拨打家属电话）。-安全模块：碰撞检测（力传感器+视觉），防止与老人发生硬接触；低电量自主回充（通过充电桩定位算法）。五、设计题（30分）题目：设计一个用于温室大棚的自动采摘机器人，目标作物为番茄（果实直径5-8cm，果梗韧性中等）。要求：（1）机械结构设计（包括末端执行器、移动平台）；（2）感知与控制系统方案；（3）关键技术难点及解决方案。答案：（1）机械结构设计-末端执行器：采用仿人手三指结构，指尖材料为硅胶（增大摩擦且避免损伤果实），内置微型压力传感器（检测抓取力，范围0-5N）；切割模块集成于指根，采用伺服电机驱动的微型刀片（切割速度可调，适应不同果梗韧性）。-移动平台：采用四轮差速底盘，配备麦克纳姆轮（支持横向移动，适应狭窄垄沟）；底盘高度可调节（30-50cm），适应不同番茄架高度；悬挂系统为弹簧减震（减少移动时的振动对采摘精度的影响）。（2）感知与控制系统方案-感知系统：顶部安装双目视觉相机（分辨率1920×1080，帧率30fps），用于识别番茄颜色（红色成熟度≥90%）、位置（三维坐标）及果梗位置（通过图像分割算法提取果梗轮廓）；近距补光灯（避免大棚光线不均）；腕部安装红外测距传感器（检测末端与果实的距离，辅助定位）。-控制系统：基于ROS框架，主节点负责任务调度，子节点包括：-视觉处理节点：YOLOv8模型检测番茄位置，PointPillars算法提取果梗点云，输出目标三维坐标（精度±2mm）；-运动规划节点：采用RRT算法规划机械臂路径（避开枝叶遮挡），结合逆运动学求解关节角度；-抓取控制节点：力控模式下调整三指闭合速度（0.5cm/s），当压力传感器达到2N时停止闭合，触发切割模块（刀片旋转速度300rpm，切割时间0.5s）；-底盘控制节点：接收导航指令（目标垄沟坐标），通过DWA算法实现路径跟踪（线速度≤0.3m/s，避免急停）。（3）关键技术难点及解决方案-难点1：复杂环境下的番茄识别（枝叶遮挡、果实重叠）。解决方案：采用多模态感知（视觉+近红外），近红外相机可穿透部分叶片，结合图神经网络（GNN）建模果实与枝叶的空间关系，优化目标检测框的位置。-难点2：果梗切割时的力控制（切割力过小无法切断，过大损伤果实）。解决方案：预先通过实验建立果梗直径-切割力模型（如直径5mm果梗需3N切割力），视觉测量果梗直径后，动态调整刀片进给速度和电机扭矩（通过