工业机器人模拟练习题及答案

工业机器人模拟练习题及答案1单选题（每题2分，共30分）1.1在六自由度串联关节型机器人中，若第3关节为移动副，其余为转动副，则其D-H参数表中α₂的取值通常为A.0°  B.90°  C.−90°  D.180°答案：B解析：第2、3关节轴线垂直时，α₂=90°，保证连杆坐标系z轴方向正确。1.2某机器人末端执行器在基坐标系下的齐次变换矩阵为T则其姿态可描述为绕z轴旋转A.30°  B.45°  C.90°  D.180°答案：C解析：旋转子矩阵为R对应绕z轴正转90°。1.3在工业现场，若机器人重复定位精度为±0.02mm，则其指标符号应写作A.RP=0.02mm  B.RP=±0.02mm  C.RT=0.02mm  D.RT=±0.02mm答案：B解析：ISO9283规定重复定位精度用RP，允差带为±值。1.4某伺服电机额定转速3000r/min，减速比1:100，输出端理论最高转速为A.30r/min  B.300r/min  C.3000r/min  D.0.3r/min答案：A解析：输出转速=3000/100=30r/min。1.5在机器人运动学逆解中，出现“腕部奇异”时，下列哪一项参数会趋于无穷大A.关节1速度  B.关节4速度  C.关节5速度  D.关节6速度答案：C解析：当关节5=0°时，4、6轴共线，Jacobian矩阵秩亏，关节5速度需无限大才能维持末端速度。1.6若力传感器量程为±200N，分辨率0.05N，则其动态范围约为A.72dB  B.80dB  C.86dB  D.92dB答案：C解析：动态范围=20log₁₀(400/0.05)≈86dB。1.7在ROS2中，下列哪条指令可实时查看/joint_states话题A.ros2topicecho/joint_states  B.ros2nodelist  C.ros2servicecall  D.ros2paramset答案：A解析：echo指令可直接打印话题内容。1.8某机器人采用SCARA结构，最大负载5kg，若末端质量增加1kg，则其固有频率A.增大  B.减小  C.不变  D.先增后减答案：B解析：固有频率ω=√(k/m)，m增大则ω减小。1.9在PLC与机器人Profinet通信中，用于周期性交换实时数据的类是A.RT  B.IRT  C.TCP  D.UDP答案：A解析：RT类保证<10ms周期，适合实时控制。1.10若机器人工具坐标系原点在法兰中心前方100mm处，则其tool0到tframe的平移向量为A.[100,0,0]ᵀ  B.[0,100,0]ᵀ  C.[0,0,100]ᵀ  D.[0,0,−100]ᵀ答案：C解析：工具朝法兰z轴正向延伸100mm。1.11在离线编程软件中，若轨迹出现“轴超限”报警，最先应检查A.工件坐标  B.工具载荷  C.关节限位  D.通信波特率答案：C解析：超限直接关联关节角度范围。1.12某机器人采用EtherCAT，周期1ms，同步抖动<1µs，其时钟同步协议为A.IEEE1588  B.NTP  C.SNTP  D.PTPv1答案：A解析：IEEE1588即PTP，实现分布式亚微秒同步。1.13若机器人末端受力F=[10,0,0]N，力臂r=[0,50,0]mm，则产生的力矩为A.[0,0,500]N·mm  B.[0,0,−500]N·mm  C.[500,0,0]N·mm  D.[0,500,0]N·mm答案：B解析：τ=r×F=[0,50,0]×[10,0,0]=[0,0,−500]N·mm。1.14在视觉引导抓取中，若相机像素尺寸2.2µm，焦距16mm，工作距离400mm，则单像素对应物空间分辨率约为A.0.055mm  B.0.11mm  C.0.22mm  D.0.44mm答案：A解析：分辨率=像素尺寸×距离/焦距=2.2×10⁻³×400/16≈0.055mm。1.15若机器人程序中设置$VEL_AXIS[3]=50，则第三关节速度限制为A.50%额定速度  B.50°/s  C.50mm/s  D.50%最大加速度答案：A解析：KUKA语法中$VEL_AXIS表示轴速度百分比。2多选题（每题3分，共30分；每题至少两个正确答案，多选少选均不得分）2.1下列哪些因素会降低机器人绝对定位精度A.连杆制造误差  B.减速器回程差  C.温度漂移  D.控制柜风扇转速  E.基座安装倾斜答案：ABCE解析：风扇转速影响散热但不直接引入几何误差。2.2关于机器人动力学参数辨识，正确的有A.需激励轨迹充分激发各关节动态  B.最小二乘可估计惯性参数  C.库伦摩擦模型为τ_f=c·sgn(θ̇)  D.只需测量关节位置  E.激励轨迹应避开奇异答案：ABCE解析：还需测量力矩或电流，D错误。2.3在拖动示教过程中，为保证安全，系统通常A.限制关节力矩  B.监控速度突变  C.关闭伺服制动器  D.启用力位混合控制  E.屏蔽急停答案：ABD解析：制动器需保持待命，急停永远有效。2.4下列哪些属于协作机器人ISO/TS15066规定的功率与力限制(PFL)测试项目A.动态碰撞力  B.准静态接触力  C.瞬态压力  D.持续功率  E.噪声声压级答案：ABCD解析：噪声属环境评估，非PFL核心。2.5关于机器人TCP标定，正确的有A.四点法需姿态变化  B.六点法可标定方向  C.球心拟合可提高精度  D.激光跟踪仪属外部测量  E.标定误差仅与测量设备有关答案：ABCD解析：标定误差还与算法、安装有关，E错误。2.6下列哪些通信方式支持时间确定性A.EtherCAT  B.ProfinetIRT  C.Ethernet/IP  D.CANopen  E.USB3.0答案：ABD解析：USB为事件触发，无确定性。2.7若机器人关节采用谐波减速器，其特点包括A.零背隙  B.高减速比  C.高效率>95%  D.柔轮疲劳寿命有限  E.输入输出同轴答案：ABDE解析：谐波效率约70–85%，C错误。2.8在视觉伺服中，Image-BasedVisualServoing(IBVS)相对Position-BasedVisualServoing(PBVS)的优点有A.无需三维重建  B.对相机标定误差鲁棒  C.特征点深度误差敏感  D.轨迹可能产生相机retreat  E.计算量小答案：ABE解析：C为缺点，D为潜在现象，非优点。2.9下列哪些措施可抑制机器人残余振动A.输入整形  B.加速度前馈  C.增加结构阻尼  D.提高采样频率  E.降低负载惯量答案：ACDE解析：前馈改善跟踪，不直接抑制残余振动。2.10在机器人安全回路中，符合Cat.3PLd架构要求的有A.双通道急停  B.单通道PLC扫描  C.冗余接触器  D.自检传感器  E.单线电缆答案：ACD解析：Cat.3需冗余与监测，单通道不满足。3判断题（每题1分，共10分；正确打“√”，错误打“×”）3.1机器人Jacobian矩阵的伪逆J⁺=Jᵀ(JJᵀ)⁻¹适用于非冗余机构。答案：×解析：仅当J行满秩时成立，冗余机构应使用J⁺=(JᵀJ)⁻¹Jᵀ。3.2若机器人基座发生微小位移Δx，则末端误差可通过微分运动模型ΔX=JΔq估算。答案：√解析：一阶近似成立。3.3在Lagrange动力学方程中，Coriolis力矩阵C(q,q̇)总是斜对称。答案：×解析：只有C−2Cᵀ斜对称，C本身不一定。3.4机器人焊缝跟踪中，激光结构光三角测量属于主动视觉。答案：√解析：主动投射光源。3.5当机器人处于奇异点时，其可操作度椭球体积为零。答案：√解析：Jacobian降秩，体积为零。3.6在KRL程序中，TRIGGERWHENPATH语句可对IO进行时间精确触发。答案：√解析：支持沿路径距离或时间触发。3.7机器人控制柜内CMOS电池失效会导致零点丢失。答案：√解析：绝对式编码器依赖电池保存多圈数据。3.8对于相同负载，SCARA机器人比六轴机器人消耗更多功率。答案：×解析：SCARA惯量小、电机小，功耗更低。3.9在G代码中，G64为连续路径模式，拐角处自动降速。答案：√解析：G64允许轨迹融合。3.10机器人防护围栏安全高度不得低于1.4m。答案：√解析：ISO10218–2要求最低1.4m防止翻越。4计算题（共40分）4.1（8分）已知二自由度平面机械臂，连杆长l₁=300mm，l₂=250mm，关节角θ₁=30°，θ₂=−45°。求末端位置(x,y)及Jacobian矩阵。解：xyJacobian：J4.2（10分）某机器人关节伺服系统采用PI控制，电机惯量J=0.02kg·m²，减速比n=100，负载惯量折算到电机轴Jₗ=0.03kg·m²。电流环已整定，可简化为纯增益Kₜ=0.4N·m/A。速度环比例增益Kₚ=0.8A·s/rad，积分增益Kᵢ=20A/(rad·s)。求速度环闭环带宽（−3dB）。解：总惯量J=0.02+0.03=0.05kg·m²开环传递函数：(闭环带宽求解|G/(1+G)|=1/√2，得近似：≈4.3（12分）如图，机器人打磨工件平面，要求末端沿矩形路径：A(400,200,300)→B(600,200,300)→C(600,400,300)→D(400,400,300)→A，速度v=100mm/s，加速度a=200mm/s²，拐角处采用圆弧过渡，过渡半径r=10mm。求单圈总时间。解：单边长200mm，四边共800mm。每拐角过渡长度：=四条边直线段净长=800−4×15.7=737.2mm直线段时间：=拐角最大速度：=需降速，加速段时间：=单拐角时间=2t_{\text{acc}}=0.447s，四拐角共1.788s总时间=7.372+1.788≈9.16s4.4（10分）机器人视觉定位，相机内参矩阵K图像中圆心像素坐标(740,612)，已知圆孔真实半径15mm，位于z=400mm平面。求圆心在相机坐标系下的(x_c,y_c,z_c)。解：归一化坐标：=因z=400mm，则：=5综合设计题（共40分）5.1项目背景：某汽车零部件厂需用机器人完成发动机缸体去毛刺，缸体重12kg，毛刺分布在深度20mm、宽5mm的交叉孔口，材料为铝合金，允许最大接触力30N，表面粗糙度要求Ra≤1.6µm。现场已有六轴机器人（负载20kg，重复定位精度±0.03mm），需选配主轴、刀具、力控方案及视觉定位系统。任务：（1）选择主轴类型并给出理由；（2）设计力控策略，画出控制框图；（3）计算视觉需满足的像素分辨率；（4）制定安全协作方案，满足PLd。答案：（1）选用高速电主轴，最高转速30000r/min，功率1.8kW，气动换刀，理由：铝合金毛刺薄而韧，需高线速度切除，低扭矩即可；电主轴重量轻，利于机器人负载余量。（2）采用阻抗控制外环+电流环内环。框图：期望力F_d→力误差ΔF→阻抗模型→修正位置Δx_d→位置环→速度环→电流环→电机力矩→末端力F。力传感器采样1kHz，阻抗参数：质量M=2kg，阻尼D=200N·s/m，刚度K=500N/m，保证过冲<10%。（3）允许孔口位置误差±0.1mm，视觉需≤1/3即0.03mm。工作距离300mm，单像素物空间分辨率≤0.03mm，则相机像素尺寸≤0.03×f/z=0.03×16/300=1.6µm，选用2µm像素即可，对应500万像素可覆盖40mm×30mm视野。（4）安全方案：a.激光扫描仪+压敏垫双区监控，人进入减速区(1.5m)降速至250mm/s，进入停止区(0.5m)立即断电；b.机器人带皮肤型力觉，任意方向接触力>40N即触发0级停止；c.安全PLC采用双CPU互检，输出双通道接触器，符合ISO13849-1Cat.3PLd；d.示教时使用手持器三段开关，松手即断使能。6简答题（每题10分，共30分）6.1解释“路径精度”与“轨迹精度”区别，并给出提高轨迹精度的三种工程方法。答案：路径精度指实际路径与几何理想路径的偏差，不含时间；轨迹精度指实际位姿与时间的关系，同时要求位置和速度。提高方法：1.前馈补偿：基于模型预测误差，提前修正；2.提高采样频率：缩短控制周期，降低相位滞后；3.自适应鲁棒控制：在线估计参数变化，抑制扰动。6.2描述机器人数字孪生系统的四层架构，并说明每层关键技术。答案：1.感知层：通过OPCUA、ROS、EtherCAT实时采集机器人