2025年机器人技术与应用考生能力测试试题及答案

2025年机器人技术与应用考生能力测试试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.工业机器人的自由度是指其（）的独立运动参数数量。A.机械臂末端B.每个关节C.整体系统D.驱动单元2.以下哪种驱动方式更适用于需要高精度、小体积的协作机器人？A.液压驱动B.气动驱动C.电动驱动D.步进驱动3.在机器人运动学中，“DH参数法”用于描述（）。A.传感器数据融合规则B.关节空间与笛卡尔空间的映射关系C.机器人与环境的交互力D.机械臂各连杆的相对位姿4.激光雷达（LiDAR）在机器人导航中的主要作用是（）。A.检测目标颜色B.获取环境三维点云C.测量机械臂关节力矩D.识别语音指令5.若某六自由度工业机器人的重复定位精度为±0.02mm，则其（）。A.绝对定位精度一定高于0.02mmB.多次到达同一位置的误差不超过0.02mmC.最大工作范围为0.02mmD.末端执行器的负载能力与精度正相关6.以下哪项不是机器人控制系统的基本组成部分？A.传感器模块B.执行器模块C.人机交互界面D.材料强度检测模块7.用于机器人触觉感知的典型传感器是（）。A.加速度计B.应变式力传感器C.陀螺仪D.红外测距仪8.在机器人路径规划中，“A算法”属于（）。A.全局规划算法B.局部避障算法C.力控制算法D.轨迹插补算法9.以下哪种机器人属于轮式移动机器人？A.波士顿动力AtlasB.发那科M20iAC.扫地机器人RoombaD.水下机器人BlueROV210.机器人伦理中“阿西莫夫三定律”的核心是（）。A.确保机器人服从人类命令B.优先保护机器人自身安全C.平衡效率与隐私的冲突D.防止机器人伤害人类二、多项选择题（每题3分，共15分。多选、错选不得分，少选得1分）1.工业机器人常用的减速器类型包括（）。A.谐波减速器B.RV减速器C.行星减速器D.摆线针轮减速器2.以下属于机器人感知层技术的有（）。A.视觉SLAMB.力控制算法C.激光雷达点云处理D.关节角度编码3.协作机器人（Cobot）的安全特性包括（）。A.碰撞检测与急停B.轻量化机械结构C.高负载重量比D.人机交互力限制4.机器人运动学中的“逆解”是指（）。A.已知关节角度求末端位姿B.已知末端位姿求关节角度C.可能存在多解或无解的情况D.仅适用于串联机器人5.人工智能在机器人中的应用场景包括（）。A.图像识别抓取目标B.强化学习优化路径规划C.自然语言理解交互指令D.电机PID参数自整定三、填空题（每题2分，共20分）1.工业机器人的“四大家族”包括发那科（FANUC）、安川（Yaskawa）、库卡（KUKA）和__________。2.机器人坐标系中，“基坐标系”的原点通常定义在__________。3.用于描述机器人末端速度与关节速度关系的矩阵称为__________。4.机器人定位技术中，“GPS”主要适用于__________环境。5.触觉传感器的核心指标包括空间分辨率、__________和动态响应范围。6.工业机器人编程方式主要有示教编程、离线编程和__________。7.ROS（机器人操作系统）的核心通信机制是__________。8.服务机器人的“自主充电”功能依赖__________和定位导航技术。9.机器人动力学的核心是建立__________与关节力矩的关系。10.医疗机器人中，达芬奇手术系统的主要优势是__________和高精度操作。四、简答题（共30分）1.（6分，封闭型）简述笛卡尔坐标系与关节坐标系的区别，并各举一例应用场景。2.（6分，封闭型）说明RV减速器与谐波减速器的结构差异及适用场景。3.（6分，封闭型）解释PID控制算法中比例（P）、积分（I）、微分（D）环节的作用。4.（6分，开放型）多传感器融合是提升机器人感知能力的关键技术，列举三种常用融合方法（如卡尔曼滤波），并说明其适用场景。5.（6分，开放型）设计一款家庭服务机器人时，需考虑哪些人机交互安全性问题？请至少列出四点并简要分析。五、应用题（共25分）1.（8分，计算类）某二连杆机械臂的DH参数如下表所示，求末端执行器相对于基坐标系的齐次变换矩阵\(T_2^0\)（需写出计算步骤）。|连杆i|\(\alpha_{i1}\)（度）|\(a_{i1}\)（mm）|\(d_i\)（mm）|\(\theta_i\)（度）||||||||1|0|200|0|30||2|90|0|150|45|2.（8分，分析类）某工业机械臂在搬运工件时频繁发生碰撞，可能的原因有哪些？请从硬件、软件、环境三个层面分析，并提出改进措施。3.（9分，综合类）设计一个餐厅服务机器人的导航方案，要求包含定位、建图、路径规划、避障及人机交互模块，需说明各模块的技术选型及协同逻辑。答案及解析一、单项选择题1.A（自由度指末端执行器在空间中独立运动的参数数量，通常为位置3个+姿态3个，共6自由度）2.C（电动驱动（如伺服电机）精度高、体积小，适合协作机器人；液压/气动多用于大负载场景）3.D（DH参数法通过四个参数描述相邻连杆的相对位姿，是运动学建模的核心方法）4.B（激光雷达发射激光并接收反射信号，生成环境三维点云，用于导航与建图）5.B（重复定位精度指多次到达同一位置的误差，与绝对定位精度无必然联系）6.D（控制系统包括传感器、执行器、控制器及人机界面，材料强度检测属设计阶段）7.B（应变式力传感器通过测量形变感知接触力，是触觉核心；加速度计/陀螺仪属惯性感知）8.A（A算法基于全局地图搜索最优路径，属全局规划；局部避障如DWA算法）9.C（Roomba为轮式移动机器人；Atlas是双足机器人，M20iA是工业机械臂，BlueROV2是水下机器人）10.D（阿西莫夫三定律首条即“机器人不得伤害人类”）二、多项选择题1.AB（工业机器人常用谐波（轻量高精度）和RV（大负载）减速器；行星/摆线针轮较少用于关节）2.ACD（感知层涉及传感器数据采集与处理，力控制属控制层）3.ABD（协作机器人需轻量化、碰撞检测、力限制；高负载重量比是工业机器人特点）4.BC（逆解是已知末端位姿求关节角度，可能多解/无解，串联/并联机器人均可能）5.ABCD（AI技术涵盖图像识别、强化学习、NLP及参数自整定等）三、填空题1.史陶比尔（Stäubli）/或ABB（注：四大家族通常指ABB、发那科、安川、库卡）2.机器人基座安装面中心3.雅可比矩阵（JacobianMatrix）4.室外开阔（GPS受遮挡时精度下降，室内需UWB/视觉等）5.力分辨率（或力检测范围）6.自主编程（或智能编程）7.话题（Topic）与服务（Service）通信8.充电桩定位（或信标检测）9.关节加速度（或运动状态）10.微创操作（或震颤过滤）四、简答题1.区别与场景：笛卡尔坐标系：以绝对空间中的X/Y/Z轴定义位置，原点固定（如基坐标系）。应用场景：末端执行器直线插补运动（如激光切割）。关节坐标系：以各关节角度为变量，描述机器人自身状态。应用场景：示教编程时调整单个关节角度（如机械臂初始位姿校准）。2.结构差异与场景：RV减速器：由行星齿轮+摆线针轮组成，刚性高、负载大，适用于工业机器人基座、大臂等重载关节。谐波减速器：由柔轮、刚轮、波发生器组成，结构紧凑、传动比大，适用于小臂、腕部等轻量高精度关节。3.PID环节作用：比例（P）：快速响应误差，输出与当前误差成正比，减小稳态误差但可能引起超调。积分（I）：消除累积误差，输出与误差积分成正比，适用于存在恒定干扰的系统（如负载变化）。微分（D）：预测误差变化趋势，输出与误差变化率成正比，抑制超调，提高系统稳定性。4.多传感器融合方法：卡尔曼滤波：适用于线性系统、高斯噪声场景（如IMU与轮式编码器融合定位）。粒子滤波：适用于非线性、非高斯噪声场景（如视觉SLAM中处理复杂环境特征）。贝叶斯网络：适用于多源不确定信息融合（如语音指令与视觉目标识别的意图理解）。5.人机交互安全性问题：碰撞检测：需内置力传感器或扭矩观测器，避免误触伤人（如靠近儿童时降低速度）。隐私保护：摄像头/麦克风采集的图像、语音需加密存储，避免用户信息泄露。紧急停止：设置物理急停按钮+语音“停止”指令双重触发，确保快速响应。运动范围限制：通过软件定义安全区域（如禁止进入厨房灶台附近），防止误操作引发危险。五、应用题1.齐次变换矩阵计算：连杆1的变换矩阵\(T_1^0\)：\[T_1^0=\begin{bmatrix}\cos\theta_1&\sin\theta_1\cos\alpha_0&\sin\theta_1\sin\alpha_0&a_0\cos\theta_1\\\sin\theta_1&\cos\theta_1\cos\alpha_0&\cos\theta_1\sin\alpha_0&a_0\sin\theta_1\\0&\sin\alpha_0&\cos\alpha_0&d_1\\0&0&0&1\end{bmatrix}\]代入\(\alpha_0=0^\circ,a_0=200\text{mm},d_1=0,\theta_1=30^\circ\)，得：\[T_1^0=\begin{bmatrix}\cos30^\circ&\sin30^\circ&0&200\cos30^\circ\\\sin30^\circ&\cos30^\circ&0&200\sin30^\circ\\0&0&1&0\\0&0&0&1\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}0.866&0.5&0&173.2\\0.5&0.866&0&100\\0&0&1&0\\0&0&0&1\end{bmatrix}\]连杆2的变换矩阵\(T_2^1\)：\[T_2^1=\begin{bmatrix}\cos\theta_2&\sin\theta_2\cos\alpha_1&\sin\theta_2\sin\alpha_1&a_1\cos\theta_2\\\sin\theta_2&\cos\theta_2\cos\alpha_1&\cos\theta_2\sin\alpha_1&a_1\sin\theta_2\\0&\sin\alpha_1&\cos\alpha_1&d_2\\0&0&0&1\end{bmatrix}\]代入\(\alpha_1=90^\circ,a_1=0,d_2=150\text{mm},\theta_2=45^\circ\)，得：\[T_2^1=\begin{bmatrix}\cos45^\circ&0&\sin45^\circ&0\\\sin45^\circ&0&\cos45^\circ&0\\0&1&0&150\\0&0&0&1\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}0.707&0&0.707&0\\0.707&0&0.707&0\\0&1&0&150\\0&0&0&1\end{bmatrix}\]末端位姿\(T_2^0=T_1^0\timesT_2^1\)，计算得：\[T_2^0=\begin{bmatrix}0.866\times0.707+(0.5)\times0.707&0.866\times0+(0.5)\times1&0.866\times0.707+(0.5)\times(0.707)&173.2\\0.5\times0.707+0.866\times0.707&0.5\times0+0.866\times1&0.5\times0.707+0.866\times(0.707)&100\\0\times0.707+0\times0.707&0\times0+1\times1&0\times0.707+1\times(0.707)&150\\0&0&0&1\end{bmatrix}\]简化后最终矩阵（仅展示前3行前3列及末列）：\[T_2^0\approx\begin{bmatrix}0.259&0.5&1.0&173.2\\0.966&0.866&0.259&100\\0&1&0.707&150\\0&0&0&1\end{bmatrix}\]（注：具体数值需精确计算，此处为简化示例）2.碰撞原因与改进：硬件层面