机器人理论题库及答案

机器人理论题库及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.工业机器人通常由哪几大部分组成？A.机械本体、驱动系统、控制系统、传感系统B.机械本体、液压系统、电气系统、润滑系统C.基座、腰部、手臂、手腕D.伺服电机、减速器、控制器、示教器2.一个六自由度串联机械臂，其末端执行器在空间中能够实现的独立位姿参数个数为？A.3个B.4个C.5个D.6个3.在D-H参数法中，表示相邻两连杆之间沿关节轴方向的距离参数是？A.连杆长度aB.连杆转角αC.连杆偏距dD.关节角θ4.增量式光电编码器主要用于测量机器人的？A.关节力矩B.关节角位移C.末端加速度D.接触力5.下列哪种传感器可用于测量机器人关节处的驱动力矩？A.霍尔接近开关B.应变片式力矩传感器C.激光测距传感器D.CCD视觉传感器6.机器人正运动学所解决的问题是？A.已知关节变量，求末端执行器的位姿B.已知末端执行器的位姿，求各关节变量C.已知关节驱动力矩，求关节角加速度D.已知末端速度，求关节速度7.与三次多项式插值相比，五次多项式插值的主要优点是？A.计算量更小B.加速度连续无突变C.关节速度恒定D.轨迹长度最短8.关于并联机器人，下列说法正确的是？A.刚度小、工作空间大B.刚度大、承载能力强、工作空间小C.结构简单、惯性大D.精度低、响应慢9.机器人雅可比矩阵描述的是关节空间与操作空间之间的何种映射？A.位置映射B.速度映射C.力矩映射D.功率映射10.机器人执行轴孔装配等柔顺作业时，通常采用的控制方式是？A.单纯位置控制B.力/位混合控制C.开环控制D.无反馈控制二、判断题（每题2分，共10分）1.机器人的自由度数目一定等于其关节数目。2.末端执行器（如夹爪）的自由度通常计入机器人本体的自由度。3.在D-H参数法中，θi表示绕zi−1轴从4.机器人处于奇异位形时，雅可比矩阵满秩。5.安装在机器人腕部的六维力/力矩传感器可用于检测末端执行器与外界环境之间的接触力。三、填空题（每题2分，共10分）1.工业机器人通常由机械本体、驱动系统、______系统和感知系统四大部分组成。2.一个空间自由刚体具有______个自由度。3.D-H参数法的四个参数分别是连杆长度ai、连杆转角αi、连杆偏距4.在关系式v=J(5.三次多项式轨迹规划需要给定4个约束条件，包括两个位置约束和两个______约束。四、简答题（每题5分，共20分）1.简述机器人正运动学与逆运动学的区别与联系。2.列举四种常用的机器人内部传感器，并说明各自的测量对象。3.简述机器人奇异位形的含义及其对运动控制的影响。4.为什么轨迹规划中常采用五次多项式插值？五、计算题（每题10分，共20分）1.一个二连杆平面机械臂，连杆长度l1=1 m，l2=xy代入已知数据，注意θ1xy因此末端位置为：(解析：先按坐标变换法写出末端位置方程，再将角度统一换算后代入三角函数数值计算。注意θ2是相对第一连杆的关节角，第二连杆在基坐标系中的绝对角为θ1+2.已知某平面二自由度机械臂的雅可比矩阵为：J若末端广义速度为v=[0.5答案：由速度映射关系v=θ雅可比矩阵的行列式为：det故J可逆，其逆矩阵为：J因此：θθ即：θ解析：本题实质是求解线性方程组Jθ六、论述题（共20分）1.试论述机器人运动学、动力学与控制系统之间的关系，并说明各自研究的核心问题。参考答案与解析一、单项选择题1.答案：A解析：工业机器人在结构上一般由机械本体（操作机）、驱动系统、控制系统和感知系统四大部分组成，选项B、C、D均只对应其中一部分或具体元件。2.答案：D解析：末端在空间中的位姿由3个位置参数和3个姿态参数共6个独立参数描述。3.答案：C解析：ai为两关节轴之间公垂线的长度，αi为两关节轴之间的扭角，di4.答案：B5.答案：B6.答案：A解析：正运动学是从关节空间到操作空间的映射，选项B描述的逆运动学与之相反。7.答案：B解析：三次多项式只能约束起始与终止时刻的位置和速度，加速度存在跳变；五次多项式可进一步约束加速度，使运动更平稳。8.答案：B9.答案：B解析：雅可比矩阵满足v=J(10.答案：B二、判断题1.答案：错误解析：串联机器人自由度通常等于关节数，但并联机器人自由度小于关节数，且末端执行器的自由度一般不计入本体自由度，故"一定"表述错误。2.答案：错误3.答案：正确4.答案：错误解析：奇异位形对应雅可比矩阵降秩，末端在某个方向上会丧失运动能力。5.答案：正确三、填空题1.答案：控制2.答案：63.答案：关节角θ4.答案：广义速度（操作空间速度）5.答案：速度四、简答题1.答案：(1)正运动学是已知各关节变量（关节角或关节位移），通过运动学方程求解末端执行器在基坐标系中的位姿；(2)逆运动学是已知末端执行器的目标位姿，反解满足该位姿的全部关节变量；(3)正运动学解唯一，逆运动学可能存在无解、唯一解或多解；(4)逆运动学求解通常以正运动学建立的齐次变换矩阵为基础，二者共同构成机器人运动分析与轨迹规划的核心工具。2.答案：(1)光电编码器：测量关节角位移；(2)旋转变压器：测量关节角位移；(3)测速发电机：测量关节角速度；(4)力/力矩传感器：测量关节或末端的力与力矩。（答出加速度计等其他合理传感器亦可）3.答案：(1)奇异位形是机器人雅可比矩阵降秩时所对应的位形；(2)在奇异位形附近，末端在某个方向上的运动能力丧失，逆运动学可能出现无解或无穷多解；(3)求解关节速度时会出现关节速度趋于无穷大的现象，容易造成机构冲击和控制失稳；(4)工程中常通过规划奇异回避轨迹、增加冗余自由度或采用阻尼最小二乘等方法避免进入奇异区域。4.答案：(1)三次多项式插值只能约束起始与终止时刻的位置和速度，无法约束加速度，因而加速度存在突变，会引起冲击和振动；(2)五次多项式可以同时给定起始与终止时刻的位置、速度和加速度共6个约束条件，使位移、速度、加速度均连续；(3)五次多项式轨迹运行平稳、冲击小，更适合高速高精度的机器人作业。五、计算题1.答案：二连杆平面机械臂的正运动学方程为：六、论述题1.答案：(1)机器人运动学研究机器人各连杆之间的几何运动关系，而不考虑引起运动的力和力矩。其核心问题包括：正运动学（已知关节变量求末端位姿）、逆运动学（已知末端位姿求关节变量）、雅可比矩阵与速度分析、奇异位形分析等。运动学是机器人轨迹规划与控制的几何基础。(2)机器人动力学研究机器人运动与驱动力/力矩之间的因果关系，核心问题是正动力学（已知驱动力矩求运动）与逆动力学（已知运动求驱动力矩）。常用建模方法有拉格朗日法和牛顿-欧拉法。动力学方程描述了惯性力、科氏力、离心力、重力和摩擦力等对系统的影响，是动态控制设计与仿真分析的依据。(3)控制系统的作用是根据期望运动与实际运动之间的偏差，通过控制律计算并输出关节驱动力矩，驱动机器人按期望轨迹运动。其核心问题包括轨迹跟踪控制、力控制、柔顺控制以及稳定性分析。工程中常用的有PID控制、计算力矩控制、自适应控制和鲁棒控制等。(4)三者之间的内在联系：运动学为动力学建模和控制提供运动变量的描述与坐标变换基础；动力学模型刻画了被控对象的内在动态特性，是高性能控制器设计的前提，模型的准确性直接影响控制精度；控制系统的性能又反过来决定了运动学位姿精度和动力学性能能否在实际运行中充分发挥。此外，雅可比矩阵还沟通了操作空间与关节空间之间的速度与力映射，使基于任务空间的力/位混合控制成为可能。(5)总结：运动学解决"如何描述"，动力学解决"如何驱动"，控制解决"如何实现"。三者相互依赖、层层递进，共同构成现代