2026秋国家开放大学《机器人技术及应用》形考作业及答案

国家开放大学2026年秋季学期《机器人技术及应用》（课程代码03590）形成性考核作业及参考答案四次形考作业·客观题200题·附简答题参考答案使用说明1．本课程教材为姚燕安编著《机器人技术及应用》（国家开放大学出版社，ISBN978-7-304-08773-9），全书共六章：第一章机器人的概念、定义、历史现状与分类组成；第二章机器人学的数学基础，含机械手自由度、运动副与运动方程；第三章机器人驱动系统的种类、原理与选型；第四章机器人传感器，按内部传感器与外部传感器两类介绍典型传感器原理及选型；第五章机器人控制原则与控制方法，含位置控制与程序设计（Arduino平台）；第六章以移动机器人系统为载体，讨论典型移动机器人的设计方法。2．四次作业的编排为：作业一（第一章、第二章概述与数学基础）、作业二（第三章驱动系统）、作业三（第四章、第五章感知与控制系统）、作业四（第六章移动机器人系统设计）。每次含单项选择题30小题（每小题2分，共60分）、多项选择题10小题（每小题2分，共20分）、判断题10小题（每小题2分，共20分），满分100分。多项选择题少选、多选、错选均不得分。3．全册题目采用阿拉伯数字连续编号（1—200），答案以“题号—答案”对照表附于每次作业之后，另设重点题目解析，便于自测与查漏补缺。4．附录部分（201—222题）为形考中简答题、分析题、设计题的参考答案，覆盖传感器选型计算、视觉系统、控制系统设计与Arduino程序编写等常考题型。5．平台组卷从题库随机抽题，各次作业题目并不固定。本册按六章考点系统编制，用于复习与自测；涉及图示的题目（如“下图是（）减速器”）平台会配图，本册已改为文字描述，作答时以平台配图为准。形考作业一机器人的概念与数学基础（第一章、第二章共50题，满分100分）一、单项选择题（每小题2分，共60分）1．“机器人”（Robot）一词最早出现在（）。A．阿西莫夫的小说《我，机器人》B．恰佩克的剧本《罗素姆万能机器人》C．《墨子·鲁问》D．达·芬奇的手稿2．世界上第一台工业机器人“尤尼梅特”（Unimate）研制成功于（）。A．1946年B．1954年C．1959年D．1969年3．机器人三定律的提出者是（）。A．恩格尔伯格B．阿西莫夫C．麦卡锡D．图灵4．按国际标准化组织（ISO）的定义，工业机器人是一种（）。A．具有人类外形的智能机器B．只能由人远程操纵的机械装置C．不具备感知能力的专用机床D．自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手5．从应用环境出发，机器人通常分为（）。A．工业机器人和特种机器人B．串联机器人和并联机器人C．轮式机器人和履带式机器人D．示教再现机器人和智能机器人6．下列各项中属于特种机器人的是（）。A．点焊机器人B．装配机器人C．水下机器人D．喷涂机器人7．机器人五大系统不包括（）。A．机械本体B．驱动系统C．感知系统D．液压系统8．机器人的自由度是指（）。A．机器人末端执行器所能到达的位置数目B．描述机器人运动时所必需的独立运动参数的数目C．机器人所装驱动电机的台数D．机器人关节减速器的级数9．机构中两构件直接接触并能产生一定相对运动的可动连接称为（）。A．运动副B．连杆C．约束D．机架10．通过面接触而构成的运动副称为（）。A．高副B．空间副C．低副D．虚约束11．在平面机构中，每个低副引入的约束数为（）。A．3B．2C．1D．512．平面机构自由度公式F＝3n－2PL－PH中，n表示（）。A．低副数目B．高副数目C．活动构件数目D．原动件数目13．机构具有确定运动的条件是（）。A．自由度数大于零B．自由度数小于原动件数C．自由度数等于构件数D．自由度数等于原动件数14．SCARA机械臂具有的相互平行的旋转关节数目为（）。A．1个B．2个C．3个D．4个15．六自由度垂直关节型机器人的手腕通常具有的自由度数为（）。A．1B．3C．2D．416．机器人末端执行器相对于参考坐标系的位姿由（）确定。A．位置和姿态B．速度和加速度C．力和力矩D．各关节的角速度17．描述刚体位置和姿态的齐次变换矩阵的阶数为（）。A．3×3B．4×3C．4×4D．3×118．已知各连杆几何参数和关节变量，求末端执行器相对于参考坐标系的位姿，称为（）。A．正运动学B．逆运动学C．动力学正问题D．轨迹规划19．逆运动学的解往往不唯一，其主要原因是（）。A．关节变量的取值范围受到限制B．存在多组关节角与同一末端位姿相对应C．齐次变换矩阵不可逆D．传感器存在测量误差20．用D-H参数法描述相邻两连杆的相对位置关系时，所用参数个数为（）。A．2B．3C．4D．621．与串联机器人相比，并联机器人的主要特点是（）。A．工作空间大、刚度较低B．结构简单、控制容易C．误差累积明显D．刚度大、承载能力强、误差不累积22．下列各项中不属于机器人主要技术参数的是（）。A．自由度B．工作范围C．额定负载D．驱动电机的品牌23．机器人的重复定位精度是指（）。A．多次到达同一目标点时实际位置的分散程度B．实际位置与理论位置之间的偏差C．末端执行器所能达到的最大速度D．关节编码器的分辨率24．直角坐标型机器人的三个移动关节通常沿（）布置。A．同一轴线B．相互垂直的直线方向C．圆周方向D．任意空间方向25．圆柱坐标型机器人所具有的运动形式为（）。A．2个移动和1个转动B．3个转动C．1个移动和2个转动D．3个移动26．腿式（步行、足式）移动机构的研究最早可以追溯到（）。A．达·芬奇的手稿B．瓦特改良的蒸汽机C．中国春秋时期鲁班设计的木车马D．阿西莫夫的小说27．与履带式相比，轮式移动机器人的突出优点是（）。A．越障能力强B．结构简单、效率高、控制方便C．在松软地面不易下陷D．爬越台阶能力强28．球形机器人的运动方式是（）。A．通过内部驱动装置驱动球壳整体滚动B．依靠四条腿交替步行C．依靠履带行走D．依靠螺旋桨飞行29．机器人按控制方式（智能程度）可分为（）。A．开环控制与闭环控制B．点位控制与连续轨迹控制C．示教再现型、感知型和智能型D．串联型与并联型30．“几何机器人”的核心思想是（）。A．以人形外观为设计目标B．完全依靠人工智能实现自主决策C．仅作为教学演示用的模型D．以连杆机构构成可变几何形态，通过机构演化实现移动二、多项选择题（每小题2分，共20分）31．机器人普遍具有的特点包括（）。A．本体是机器B．具有一定的智能性C．可以编程D．具有动作能力，能辅助或代替人类工作E．必须具有与人相似的外形32．按机械结构形式，机器人可分为（）。A．直角坐标型B．圆柱坐标型C．球坐标型D．关节型E．并联型33．机器人系统通常由下列哪些部分构成（）。A．机械本体B．驱动系统C．感知系统D．控制系统E．人机交互系统34．下列运动副中属于低副的有（）。A．转动副B．移动副C．齿轮副D．凸轮副E．滚子副35．计算平面机构自由度时需要注意的特殊情况有（）。A．复合铰链B．局部自由度C．虚约束D．高副低代E．构件的自重36．与串联机器人相比，并联机器人的优点有（）。A．刚度大B．承载能力强C．误差不累积、精度高D．工作空间大E．结构简单、控制容易37．机器人的主要技术参数包括（）。A．自由度B．工作范围C．额定负载D．定位精度与重复定位精度E．最大运动速度38．常见的机器人移动方式有（）。A．轮式B．履带式C．腿式D．球形滚动式E．蛇形39．按智能程度划分，机器人发展所经历的阶段包括（）。A．第一代示教再现型B．第二代感知型C．第三代智能型D．第四代生物型E．第五代纳米型40．机器人运动学研究的核心问题包括（）。A．正运动学B．逆运动学C．速度雅可比矩阵D．奇异位形分析E．驱动电机的功率选型三、判断题（每小题2分，共20分）41．机器人必须具有与人相似的外形，才能称为机器人。（）A．对B．错42．工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。（）A．对B．错43．特种机器人是用于非制造业并服务于人类的各种机器人。（）A．对B．错44．机器人三定律中的第一定律是：机器人不得伤害人类，也不得因不作为而使人类受到伤害。（）A．对B．错45．两个构件之间只做相对转动的运动副称为移动副。（）A．对B．错46．通过点或线接触而构成的运动副称为高副。（）A．对B．错47．机构自由度是机构具有独立运动的数目。（）A．对B．错48．串联机器人的工作空间一般小于同等尺寸的并联机器人。（）A．对B．错49．机器人的定位精度与重复定位精度是同一个概念。（）A．对B．错50．逆运动学的解一定是唯一的。（）A．对B．错参考答案（作业一）12345BCBDA678910CDBAC1112131415BCDCB1617181920ACABC2122232425DDABA2627282930CBACD3132333435ABCDABCDEABCDEABABC3637383940ABCABCDEABCDEABCABCD4142434445BAAAB4647484950AABBB重点题目解析第2题：1959年，美国人德沃尔与恩格尔伯格研制出第一台工业机器人样机，1961年投入通用汽车公司压铸车间使用，命名为“尤尼梅特”（Unimate）；“沃萨特兰”（Versatran）随后问世，二者被认为是最早的工业机器人。第11、12题：平面机构中活动构件有3个自由度，每个平面低副（转动副、移动副）引入2个约束，每个平面高副引入1个约束，故F＝3n－2PL－PH。空间机构则每个构件6个自由度，每个低副引入5个约束。第14题：SCARA（选择性顺应装配机械臂）有4个关节：两个轴线竖直的旋转关节、一个竖直移动关节和一个手腕旋转关节，其中3个旋转关节的轴线相互平行，故其典型工作空间为圆柱形，适合平面内的装配作业。第19题：逆解不唯一既可能来自多组关节角对应同一位姿（如肘上、肘下构型，手腕翻转），也可能来自关节行程限制导致的取舍，但“多解”的根源是方程本身存在多组解，需按行程最短、避障、远离奇异位形等准则择优。第23、49题：定位精度指实际到达位置与指令位置的接近程度，含系统误差；重复定位精度指多次以同一指令到达同一点时结果的分散程度，反映随机误差。工业机器人重复定位精度通常远高于其绝对定位精度。第48题：串联机器人各关节依次串联，工作空间大但刚度低、误差逐级累积；并联机器人多支链并联，刚度和精度高但工作空间小，二者恰好相反。形考作业二机器人驱动系统（第三章共50题，满分100分）一、单项选择题（每小题2分，共60分）51．根据直接动力来源，机器人驱动系统可分为（）。A．电气驱动、液压驱动和气压驱动B．直流驱动、交流驱动和步进驱动C．机械驱动、电气驱动和热力驱动D．开环驱动和闭环驱动52．目前机器人驱动系统中应用最为广泛的是（）。A．气压驱动B．电气驱动C．液压驱动D．内燃机驱动53．在响应快、载荷大的伺服系统中往往采用（），原因是其输出力与质量之比最大。A．液压驱动B．气压驱动C．步进电机驱动D．直线电机驱动54．直流伺服电机广泛应用于宽调速系统和精确位置控制系统中，其输出功率范围大约为（）。A．0.1～10WB．10～100WC．1～600WD．1～10kW55．用直流供电，将输入的受控电压或电流能量转换为电枢轴上的角位移或角速度输出的电机是（）。A．步进电机B．直流伺服电机C．直线电机D．力矩电机56．交流伺服电机按其工作原理分为（）。A．同步型交流伺服电机和感应型交流伺服电机B．永磁式和反应式C．有刷式和无刷式D．开环式和闭环式57．具有大的转矩质量比和转矩体积比，没有电刷和整流子，运行时几乎不需要维护，在现代机器人中广泛应用的驱动电机是（）。A．直流伺服电机B．步进电机C．交流伺服电机D．直线电机58．步进电机按转子结构分为（）。A．同步式和异步式B．有刷式和无刷式C．开环式和闭环式D．反应式、永磁式和混合式59．定子、转子磁场均由软磁材料制成，只有控制绕组，基于磁导的变化产生反应转矩的步进电机是（）。A．反应式步进电机B．永磁式步进电机C．混合式步进电机D．直线步进电机60．用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电机是（）。A．直流伺服电机B．步进电机C．测速发电机D．旋转变压器61．选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率（）负载所需的功率。A．大于B．小于C．等于D．与负载无关62．步进电机的步距角主要取决于（）。A．供电电压的高低B．绕组电流的大小C．转子齿数和通电相数D．负载转矩的大小63．电液伺服系统中把输入的小功率电流信号转换并放大成液压功率输出的放大转换元件是（）。A．液压泵B．电液伺服阀C．溢流阀D．蓄能器64．机器人液压驱动系统（液压伺服驱动系统）的组成部分不包括（）。A．液压源B．伺服阀C．传感器和控制回路D．气源装置65．气压驱动系统的工作介质是（）。A．压缩空气B．液压油C．水蒸气D．高压水66．与液压驱动相比，气压驱动系统的动作和反应（）。A．慢B．快C．相同D．不可比较67．与液压驱动系统相比，气压驱动系统的功率—质量比（）。A．高得多B．略高C．低得多D．完全相同68．电液比例控制的控制性能与电液伺服控制相比，其精度和响应速度（）。A．较低B．较高C．相同D．无法比较69．直线电机的主要优点是（）。A．输出转矩最大B．散热面积大C．制造成本最低D．不需要中间传动机构，机械结构简化，精度提高，振动和噪声减少70．常用来传递两交错轴之间的运动和动力，相比齿轮减速器具有更大输出转矩的是（）。A．行星齿轮减速器B．蜗轮蜗杆减速器C．谐波减速器D．同步带减速装置71．工业机器人关节上广泛使用，具有高刚性、高精度和大速比特点的减速器是（）。A．RV减速器B．蜗轮蜗杆减速器C．同步带传动D．齿轮齿条机构72．谐波减速器的主要特点是（）。A．承载能力最大B．传动效率最高C．体积小、重量轻、传动比大、精度高D．不能用于机器人关节73．滚珠丝杠在机器人中的作用是（）。A．将直线运动转换为旋转运动B．将旋转运动转换为直线运动C．实现大速比减速D．实现制动74．机器人末端执行器（手爪）所配用的电机应（）。A．体积、质量尽可能小B．体积、质量尽可能大C．功率越大越好D．无需考虑质量75．对机器人关节驱动电机的要求不包括（）。A．最大的功率质量比和扭矩惯量比B．高起动转矩、低惯量C．较宽广且平滑的调速范围D．尽可能大的转动惯量76．直流伺服电机可控性好，具有线性调节特性，能使转速（）。A．与控制电压无关B．与控制电压成正比C．与控制电压成反比D．保持恒定77．液压驱动系统的主要缺点是（）。A．易泄漏、污染环境，需配备液压源，成本较高B．输出功率太小C．不能实现无级调速D．响应速度慢78．在机器人常用驱动方式中，输出力（力矩）最大、功率—质量比最高的是（）。A．电气驱动B．气压驱动C．液压驱动D．机械驱动79．机器人关节中用于断电时保持位置、防止负载坠落的常用装置是（）。A．离合器B．联轴器C．飞轮D．电磁制动器80．减速器在机器人关节中的主要作用是（）。A．提高转速、减小转矩B．降低转速、增大转矩、提高分辨率C．改变电流方向D．储存能量二、多项选择题（每小题2分，共20分）81．机器人驱动系统按直接动力来源可分为（）。A．电气驱动B．液压驱动C．气压驱动D．机械驱动E．热力驱动82．电气驱动的执行元件包括（）。A．直流伺服电机B．交流伺服电机C．步进电机D．直线电机E．液压马达83．直流伺服电机的优点有（）。A．可控性好，具有线性调节特性B．起动转矩大C．调速范围宽D．无电刷、几乎不需维护E．结构简单、体积小84．步进电机按转子结构可分为（）。A．反应式B．永磁式C．混合式D．感应式E．同步式85．机器人液压伺服驱动系统由下列哪些部分组成（）。A．液压源B．驱动器C．伺服阀D．传感器E．控制回路86．气压驱动系统的优点有（）。A．气源方便、成本低B．不污染环境，少量泄漏不致对生产产生严重影响C．动作迅速、反应快D．功率—质量比高于液压系统E．可实现高精度的位置控制87．机器人常用的减速器有（）。A．齿轮减速器B．蜗轮蜗杆减速器C．行星齿轮减速器D．谐波减速器E．RV减速器88．机器人常用的传动机构有（）。A．滚珠丝杠B．同步带传动C．齿轮齿条D．链传动E．谐波传动89．选择机器人伺服电机时应考虑（）。A．功率与转矩是否满足负载要求B．转动惯量是否匹配C．调速范围与过载能力D．体积与质量E．成本与供货条件90．电液伺服阀通常由下列哪些部分组成（）。A．力矩马达B．液压放大器C．反馈机构D．变频器E．光电编码器三、判断题（每小题2分，共20分）91．液压驱动系统具有无环境污染、易于控制、运动精度高、成本低和驱动效率高等优点，应用最为广泛。（）A．对B．错92．气压驱动系统不污染环境，偶然地或少量地泄漏气体不至于对生产产生严重的影响。（）A．对B．错93．气压驱动系统是利用各种电机产生的力或力矩，直接或经过减速机构去驱动机器人的关节。（）A．对B．错94．直流伺服电机具有较小的起动转矩和较大的转动惯量。（）A．对B．错95．直流伺服电机稳定性好，但只能在较窄的速度范围内运行。（）A．对B．错96．直线电机散热面积小、不易冷却，所以不允许较高的电磁负荷。（）A．对B．错97．交流伺服电机分为两种，即同步型交流伺服电机和感应型交流伺服电机。（）A．对B．错98．永磁式步进电机步距大、起动频率高、控制功率大。（）A．对B．错99．电液比例控制的控制性能与电液伺服控制相比，精度和响应速度较高。（）A．对B．错100．直线电机由于不需要中间传动机构，因而使整个机械得到简化，提高了精度，减少了振动和噪声。（）A．对B．错参考答案（作业二）5152535455ABACB5657585960ACDAB6162636465ACBDA6667686970BCADB7172737475ACBAD7677787980BACDB8182838485ABCABCDABCEABCABCDE8687888990ABCABCDEABCDEABCDEABC9192939495BABBB96979899100BAABA重点题目解析第53、78题：液压驱动的功率—质量比最大，输出力（力矩）最大，且易于实现无级调速，因此在响应快、载荷大的伺服系统中优先选用；其短板是易泄漏、需液压源、成本高。电气驱动则因控制方便、精度高、无污染而成为机器人最主流的驱动方式。第67、86题：气压驱动的功率—质量比低于液压系统，因空气可压缩，位置控制精度和刚度都不及液压；但其气源方便、成本低、动作迅速、不污染环境，多用于抓取、夹紧、点焊等点位动作。第71、72题：RV减速器（摆线针轮行星传动）刚性好、精度高、速比大、承载能力强，多用于机器人基座、肩、肘等大负载关节；谐波减速器体积小、重量轻、传动比大、回差小，多用于腕部和小臂等中小负载关节。第79题：电磁制动器（失电制动）在断电时靠弹簧力抱闸，防止垂直关节因重力坠落；通电时电磁力克服弹簧力松闸，是机器人安全设计的基本要求。第94、95题：直流伺服电机起动转矩大、转动惯量小、调速范围宽、低速运行平稳，这两题的表述恰好把优点写反，故均为“错”。形考作业三机器人感知系统与控制系统（第四章、第五章共50题，满分100分）一、单项选择题（每小题2分，共60分）101．机器人传感器是指（）。A．为机器人提供动力的装置B．能够将机器人对内部和外部感知的物理量变换为电量输出的装置C．用于减速增矩的装置D．用于支撑机械本体的构件102．机器人内部传感器主要用于（）。A．测量机器人自身的运动学及动力学参数B．感知外部环境信息C．识别物体的颜色D．测量机器人到目标的距离103．下列传感器中属于机器人内部传感器的是（）。A．视觉传感器B．超声波传感器C．光电编码器D．触觉传感器104．下列传感器中属于机器人外部传感器的是（）。A．测速发电机B．旋转变压器C．电位计D．接近觉传感器105．与绝对式编码器相比，增量式编码器的特点是（）。A．价格便宜、使用广泛，但断电后需重新寻零B．断电后位置信息不丢失C．分辨率一定更高D．结构更复杂、成本更高106．能够检测物体的位置、角度和距离的机器人传感器是（）。A．压电传感器B．微动开关C．光敏阵列、CCDD．光敏管107．能够确定对象位置、识别对象形态的是（）。A．接触觉传感器B．明暗觉传感器C．力觉传感器D．位置觉传感器108．能够修正握力、防止打滑、判断物理质量及表面状态的是（）。A．接触觉传感器B．滑觉传感器C．力觉传感器D．位置觉传感器109．能够检测压力的机器人传感器是（）。A．光敏管B．微动开关C．CCD图像传感器D．压电传感器110．判断有无对象，并得到定量结果的是（）。A．明暗觉传感器B．接触觉传感器C．力觉传感器D．位置觉传感器111．判断物体空间位置、判断物体移动的是（）。A．力觉传感器B．明暗觉传感器C．位置觉传感器D．接触觉传感器112．具有色觉的机器人传感器是（）。A．光敏管B．彩色电荷耦合器件、彩色摄像机、滤色器C．压电片D．微动开关113．具有力觉的机器人传感器是（）。A．光敏阵列、CCDB．微动开关C．光电断续器D．应变片、导电橡胶114．能够检测对象物是否接近、接近距离以及对象面倾斜的机器人传感器是（）。A．光传感器、气压传感器、超声波传感器B．压电传感器C．应变片D．增量编码器115．能够检测光线亮度的机器人传感器是（）。A．压电传感器B．热电偶C．光敏管、光电断续器D．应变片116．机器人视觉系统中常用的图像传感器是（）。A．CCD和CMOSB．压电陶瓷C．热电偶D．霍尔元件117．传感器的分辨率是指（）。A．输出量与输入量的比值B．能够检测到的最小输入变化量C．传感器可测量的最大输入量D．输出达到稳定所需的时间118．在结构上，机器人控制系统是（）。A．单层机械结构B．纯液压回路C．纯气动回路D．分层结构的计算机控制系统119．机器人控制系统中，可完成从任务、运动指令到关节运动的全部运算的是（）。A．协调控制计算机B．伺服驱动器C．传感器D．减速器120．机器人的每个关节分别由（）驱动。A．一个减速器B．一个伺服控制系统C．一个编码器D．一个制动器121．只控制机器人到达点的位置、不控制两点之间路径的控制方式是（）。A．连续轨迹控制B．力控制C．点位控制D．阻抗控制122．下列作业中属于机器人连续轨迹运动的是（）。A．喷漆B．点焊C．码垛D．上下料123．下列作业中属于机器人点位运动的是（）。A．弧焊B．点焊C．喷漆D．打磨124．一般工业机器人的控制系统包括（）。A．仅伺服控制层B．仅协调控制层C．仅感知层D．协调控制层和伺服控制层125．ArduinoUno控制器提供的模拟输入通道数为（）。A．6路B．8路C．14路D．54路126．ArduinoDuemilanove具有的数字I/O口数目是（）。A．6B．20C．14D．54127．ArduinoMega2560具有的I/O口数目是（）。A．14B．54C．20D．6128．Arduino编程语言中，数字引脚常量是（）。A．HIGH和LOWB．true和falseC．0和1D．INPUT和OUTPUT129．Arduino编程语言中，引脚电压常量是（）。A．HIGH和LOWB．INPUT和OUTPUTC．byte和intD．setup和loop130．“charA=58”属于（）数据类型。A．布尔型B．字符型C．字节型D．整型二、多项选择题（每小题2分，共20分）131．下列属于机器人内部传感器的有（）。A．光电编码器B．旋转变压器C．测速发电机D．电位计E．CCD摄像机132．下列属于机器人外部传感器的有（）。A．视觉传感器B．触觉传感器C．力觉传感器D．接近觉传感器E．听觉传感器133．机器人触觉传感器根据测量信息可分为（）。A．接触觉传感器B．压力觉传感器C．滑动觉传感器D．色觉传感器E．位置觉传感器134．触觉传感器按工作原理可分为（）。A．二元接触传感器B．单模拟量传感器C．矩阵传感器D．光电传感器E．压电传感器135．传感器的主要性能指标有（）。A．精度B．分辨率C．线性度D．灵敏度E．响应时间136．机器人控制系统的组成包括（）。A．协调控制计算机B．伺服控制器C．驱动器D．检测元件（传感器）E．减速器137．按运动控制方式，机器人控制可分为（）。A．点位控制B．连续轨迹控制C．力控制D．速度控制E．位置控制138．Arduino平台的特点有（）。A．开源B．硬件电路图开放，可直接复用C．编程简单、上手快D．可用于交互产品开发E．只能用于工业机器人控制139．Arduino程序的基本组成包括（）。A．变量与常量声明B．setup()函数C．loop()函数D．库函数调用E．main()函数140．Arduino编程中常用的数据类型有（）。A．布尔型B．字符型C．字节型D．整型E．无符号整型三、判断题（每小题2分，共20分）141．触觉传感器、应力传感器属于机器人内部传感器。（）A．对B．错142．机器人外部传感器的功能是测量运动学及动力学参数。（）A．对B．错143．机器人传感器是一种能够将机器人对内部和外部感知的物理量变换为电量输出的装置。（）A．对B．错144．电位计位移传感器的工作原理是：绕线电阻的端点和电刷之间的电阻一有改变，就可测量出位移的大小。（）A．对B．错145．导电塑料膜电位计位移传感器的阻抗可以达到连续变化。（）A．对B．错146．最常用的平移传感器是电位计角度传感器。（）A．对B．错147．增量编码器比绝对编码器要便宜得多，在机器人技术中对增量编码器的使用更加广泛。（）A．对B．错148．机器人的控制系统是多变量和线性的控制系统。（）A．对B．错149．一般工业机器人仅由伺服控制层组成。（）A．对B．错150．Arduino是源于土耳其的一个开源代码的硬件项目平台。（）A．对B．错参考答案（作业三）101102103104105BACDA106107108109110CABDA111112113114115CBDAC116117118119120ABDAB121122123124125CABDA126127128129130CBDAB131132133134135ABCDABCDEABCABCABCDE136137138139140ABCDABABCDABCDABCDE141142143144145BBAAA146147148149150BAABB重点题目解析第105、147题：增量式编码器输出A、B、Z三路脉冲，靠计数得到相对位移，结构简单、价格低、分辨率可做得很高，但断电后位置信息丢失，上电须寻零；绝对式编码器每一位都对应唯一位置码，断电不丢位置，但码盘制造复杂、价格高。第107—113题：这一组按“觉”分类要分清：接触觉——有无接触、识别对象形态；压力觉（压电式）——检测压力大小；滑觉——感知滑动、修正握力；力觉——应变片、导电橡胶测力；位置觉——光敏阵列、CCD测位置与移动；色觉——彩色CCD加滤色器；明暗觉——判断有无对象并给出定量结果。第119、124、149题：工业机器人控制采用两级结构：协调控制层（主计算机）完成轨迹规划、运动学逆解与任务分解，伺服控制层（各关节伺服驱动器）完成位置、速度闭环。只讲“仅伺服层”是错误的。第125—127题：ArduinoUno与Duemilanove均为14路数字I/O（其中6路可作PWM输出）、6路模拟输入；Mega2560扩展为54路I/O、16路模拟输入。数字引脚方向常量是INPUT/OUTPUT，电平常量是HIGH/LOW，两者不可混淆。第150题：Arduino起源于意大利（伊夫雷亚交互设计学院），而非土耳其，故为“错”。形考作业四移动机器人系统设计（第六章共50题，满分100分）一、单项选择题（每小题2分，共60分）151．传统的移动机器人通常包括（）。A．轮式移动机器人、履带式移动机器人和腿式移动机器人B．球形机器人、蛇形机器人和飞行机器人C．工业机器人、服务机器人和特种机器人D．串联机器人和并联机器人152．最简单的移动机器人是（）。A．腿式移动机器人B．履带式移动机器人C．轮式移动机器人D．球形移动机器人153．三轮移动机器人常见的车轮配置方式是（）。A．3个前轮B．1个前轮、2个后轮C．2个前轮、1个后轮D．4个车轮154．三轮移动机器人两后轮独立驱动、前轮为万向轮，其转向主要靠（）。A．两后轮的转速差B．前轮转向机构C．方向盘D．差速锁155．关于三轮机器人的特点，下列说法正确的是（）。A．可以轻松走出直线B．机构稳定性优于四轮机器人C．结构与四轮和多轮机器人相比简单，但机构上不稳定，直线行走能力差D．越障能力最强156．对于两后轮独立驱动的三轮机器人，当两轮转速大小相等、方向相反时，可以实现（）。A．直线前进B．原地不动C．匀速后退D．整车零半径回转（原地转向）157．四轮机器人在新型移动机器人设计中常被采用，主要原因是（）。A．承载能力大、运动稳定性好B．结构最简单、成本最低C．越障能力最强D．转向最灵活158．全方位型移动机构的特点是（）。A．只能前进和后退B．既能实现原地转动又能实现侧向运动，运动灵活性很强C．只能原地转动D．越障能力最强159．麦克纳姆轮的辊子轴线与轮子轴线之间的夹角通常为（）。A．30°B．60°C．45°D．90°160．履带式移动机器人的突出优点是（）。A．接地比压小，越障和爬坡能力强B．行驶速度最快C．结构最简单D．传动效率最高161．履带式机器人可以（）。A．只能直线行走B．不能转向C．不能越障D．实现原地转向，并可任意控制转弯半径162．履带式消防机器人在平坦地面上行走时，（）。A．越障装置展开、侦察装置关闭B．侦察装置工作，越障装置处于收起状态C．全部装置关闭D．只能后退行驶163．腿式移动机器人的突出优点是（）。A．对崎岖地形的适应能力强，可跨越离散障碍B．行驶速度快、效率高C．控制简单、成本低D．结构最简单164．腿式移动机器人的控制难点主要在于（）。A．电机选型B．材料选择C．多关节协调、步态规划与稳定性控制D．外观造型设计165．球形机器人的运动通常依靠（）。A．外部牵引B．内部驱动装置驱动球壳整体滚动C．履带行走D．腿式步行166．考虑机器人的重量和成本，通常选用（）作为机器人主体的制作材料。A．铝材B．铸铁C．木材D．铜材167．下列各项中不属于常用轮式机器人控制器的是（）。A．ArduinoB．STM32C．树莓派D．液压泵168．机器人越障装置的伸缩主体通常基于（）。A．圆形B．球体C．可变形的平面图形，如三角形D．螺旋线169．为提高履带式机器人的越障能力，可以（）。A．增加摆臂（辅助臂）机构，并合理布置重心B．减小履带宽度C．尽量减小驱动功率D．提高整机重心170．移动机器人底盘选型的主要依据是（）。A．外观造型B．使用环境与越障要求C．品牌知名度D．颜色搭配171．差速驱动移动机器人的位姿主要由（）确定。A．前轮转角B．卫星定位信号C．左右驱动轮的速度与轮距D．陀螺仪的零偏172．轮式移动机器人里程计定位的主要误差来源是（）。A．轮子打滑与轮径误差B．电机供电电压C．电池容量D．通信延迟173．移动机器人避障常用的传感器是（）。A．光电编码器B．陀螺仪C．加速度计D．超声波传感器、红外传感器和激光雷达174．与超声波传感器相比，激光雷达的特点是（）。A．成本更低B．测量精度高、扫描范围大，但成本较高C．只能测量近距离目标D．完全不受雨雾天气影响175．机器人设计的一般流程是（）。A．需求分析—方案设计—详细设计—制作装配—调试优化B．先制作样机再考虑需求C．先编程后设计机械结构D．先采购元器件后确定方案176．移动机器人系统通常包括（）。A．仅机械本体B．仅控制器C．机械本体、驱动系统、传感系统、控制系统和电源D．仅电机和车轮177．用Arduino控制直流电机调速的常用方式是（）。A．直接接入电源B．PWM调速配合H桥驱动C．串联电阻降压D．使用变压器178．舵机的控制信号通常是（）。A．PWM脉冲，脉冲宽度决定转角B．电压幅值C．电流大小D．信号频率的高低179．ArduBlock是以（）方式进行编程的。A．汇编语言B．机器码C．图形化积木搭建D．自然语言180．移动机器人传感器选型时，首先要考虑（）。A．外观尺寸B．品牌C．价格D．测量对象、量程与精度要求二、多项选择题（每小题2分，共20分）181．常见的移动机器人移动方式有（）。A．轮式B．履带式C．腿式D．球形滚动式E．蛇形182．轮式移动机器人的优点有（）。A．结构简单B．传动效率高C．控制方便D．越障能力最强E．适合在平坦路面高速行驶183．履带式移动机器人的特点有（）。A．接地比压小B．越障能力强C．可实现原地转向D．行驶速度相对较低E．适合松软、泥泞地面184．腿式移动机器人的特点有（）。A．地形适应性强B．可跨越离散障碍C．控制较复杂D．行走效率相对较低E．结构最简单185．移动机器人常用的传感器有（）。A．光电编码器B．超声波传感器C．红外传感器D．激光雷达E．惯性测量单元186．移动机器人常用的定位方法有（）。A．里程计推算B．惯性导航C．视觉定位D．卫星定位E．激光SLAM187．移动机器人方案设计时需要考虑（）。A．使用环境与地形条件B．负载能力与续航时间C．控制方式与传感器配置D．制造成本E．安全性与可靠性188．典型的轮式机器人类型有（）。A．三轮型轮式机器人B．四轮型轮式机器人C．变形轮型轮式机器人D．全方位型轮式机器人E．履带型机器人189．提高履带式机器人越障能力的措施有（）。A．增加摆臂机构B．优化整机重心位置C．增大履带接地长度D．提高驱动功率与附着力E．减小履带与地面的摩擦190．Arduino用于机器人控制的优势有（）。A．开源、资料丰富B．扩展板与传感器模块多C．编程门槛低D．成本低E．实时性优于专用工业控制器三、判断题（每小题2分，共20分）191．传统的移动机器人通常包括轮式移动机器人、履带式移动机器人和腿式移动机器人。（）A．对B．错192．三轮机器人可以轻松走出直线。（）A．对B．错193．三轮机器人在机构上不稳定，但结构与四轮和多轮机器人相比更简单。（）A．对B．错194．变形轮机器人的车轮可变形成利于越障的轮式腿结构，实现步行运动。（）A．对B．错195．全方位型移动机构既能实现原地转动，又能实现侧向运动，具有很强的运动灵活性。（）A．对B．错196．腿式机器人越障能力不是很强。（）A．对B．错197．履带移动机器人不能够通过传感器感知环境和自身状态。（）A．对B．错198．四轮机器人在新型移动机器人设计中常被采用。（）A．对B．错199．履带移动机器人可以广泛应用于社会安全、军事侦察、核工业等领域。（）A．对B．错200．移动机器人底盘设计中，整机质量越大越有利于提高续航能力。（）A．对B．错参考答案（作业四）151152153154155ACBAC156157158159160DABCA161162163164165DBACB166167168169170ADCAB171172173174175CADBA176177178179180CBACD181182183184185ABCDEABCEABCDEABCDABCDE186187188189190ABCDEABCDEABCDABCDABCD191192193194195ABAAA196197198199200BBAAB重点题目解析第155、156、192题：三轮机器人两后轮独立驱动、前轮为万向轮，靠左右轮速差转向。两轮同速同向走直线，理论上可行，但受轮径误差、打滑、装配偏差影响，实际很难走直，必须靠传感器反馈纠偏；两轮等速反向则绕两轮中心连线的中点零半径回转。第159题：麦克纳姆轮（Mecanumwheel）在轮毂周边斜向布置若干可自由转动的辊子，辊子轴线与轮轴线成45°，四轮按特定方向组合转动即可实现前行、横移、斜行与原地旋转。第162题：履带式消防机器人平地行驶时侦察装置（云台、摄像头）工作，摆臂等越障装置收起以减少阻力；遇到台阶、壕沟时才展开摆臂抬升车体。第171、172题：差速运动学模型：车体线速度v＝(vR＋vL)/2，角速度ω＝(vR－vL)/B（B为轮距），积分即得位姿。里程计的累积误差主要来自打滑和轮径磨损，故长距离作业需与激光、视觉等外部定位融合。第182、184题：轮式效率高、结构简单，但越障能力弱；腿式地形适应性强、可跨越离散障碍，但控制复杂、效率低。二者优缺点正好互补，不能把“越障能力最强”安在轮式上。附录简答、分析与设计题参考答案（201—222题形考主观题型）本课程在线形考在客观题之外，通常还配有3—5道简答题、分析题或设计题，由教师人工评阅。以下按题型给出参考答案与作答要点，可作答题框架使用。作答时建议先给结论、再列要点、最后作简要展开，涉及计算与程序的题目务必写出公式与关键步骤。一、简答题（201—210题）201．简述机器人三定律的内容及其意义。答：机器人三定律由阿西莫夫在1942年的科幻作品《环舞》中提出：（1）机器人不得伤害人类，也不得因不作为而使人类受到伤害；（2）机器人必须服从人类的命令，除非该命令与第一定律相冲突；（3）机器人必须保护自身的存在，除非这种保护与第一、第二定律相冲突。三定律的意义在于：它第一次以伦理规则的形式界定了人机关系，为机器人安全设计提供了“人类优先、服从其次、自保最后”的优先级次序，至今仍是机器人伦理与安全标准讨论的思想源头。其局限是规则以自然语言表述，难以直接转化为算法，且未覆盖机器人之间的冲突、责任归属等问题，后续又出现了“第零定律”以及阿西莫夫体系之外的工程安全规范（如ISO10218）。202．简述机器人五大子系统及其功能。答：（1）机械本体（机械系统）——由机身、臂部、腕部、手部（末端执行器）和行走机构组成，是机器人的执行基础，决定其运动形式、自由度与工作空间；（2）驱动系统——由电机、液压或气动装置及减速器、传动机构组成，把控制信号转变为关节的力与运动；（3）感知系统——由内部传感器（编码器、测速发电机、电位计等）和外部传感器（视觉、触觉、力觉、接近觉等）组成，向控制系统提供自身状态与环境信息；（4）控制系统——按分层结构分为协调控制层与伺服控制层，完成轨迹规划、运动学逆解、伺服闭环与逻辑判断；（5）人机交互系统——包括示教器、编程界面、通信接口与安全装置，实现人与机器人的信息交换和作业指令下达。五者相互配合，构成“感知—决策—执行”的完整闭环。203．写出平面机构自由度计算公式，并说明计算时应注意的问题。答：F＝3n－2PL－PH，其中n为活动构件数，PL为低副数，PH为高副数。机构具有确定运动的条件是F＞0且F等于原动件数。计算时应注意三类特殊情况：（1）复合铰链——k个构件在同一处铰接，应算作(k－1)个转动副；（2）局部自由度——如滚子绕自身轴线的转动不影响输出运动，计算时应先行扣除；（3）虚约束——对运动起重复限制作用的约束，应在计算前去除，否则会得出自由度过低的错误结论。例如平面四杆机构n＝3、PL＝4、PH＝0，则F＝3×3－2×4＝1，与原动件数一致，运动确定。204．说明正运动学与逆运动学的区别与联系。答：正运动学是已知各连杆几何参数（杆长、扭角、偏置、关节角）和关节变量，求末端执行器相对于基坐标系的位姿，本质是矩阵连乘，解唯一且计算直接。逆运动学是已知末端位姿和连杆参数，反求各关节变量，需求解非线性方程组，通常存在多解（肘上／肘下、腕翻转等），还可能出现无解（位姿超出工作空间）与奇异位形（雅可比矩阵降秩、关节速度趋于无穷）。二者的联系是：正解是逆解的校验手段，逆解的结果必须代回正运动学方程验证；在实际控制中，逆解用于把笛卡尔空间的轨迹点转换为关节指令，正解用于由编码器读数推算末端实际位姿，二者共同构成机器人位置控制的基础。205．比较串联机器人与并联机器人的特点。答：串联机器人各连杆依次串联，一端固定于基座、末端自由，特点是工作空间大、结构简单、控制容易、灵活性好，但刚度低、承载能力小、各关节误差逐级累积，典型代表为六轴垂直关节机器人。并联机器人由动平台与多条支链并联连接，特点是刚度大、承载能力强、误差不累积、精度和动态响应好，但工作空间小、结构复杂、正解困难而逆解简单，且支链干涉使其转角受限，典型代表为Stewart六自由度平台、Delta高速抓取机器人。选用时，大范围作业、多姿态要求选串联；高速、重载、高精度且工作空间要求不高的场合选并联。206．比较电气、液压、气压三种驱动方式的特点及适用场合。答：（1）电气驱动——以直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机为执行元件，控制精度高、响应快、调速范围宽、无污染、易与计算机接口，是机器人最主流的驱动方式；缺点是功率—质量比不及液压，大功率时电机体积和质量偏大，适用于中小负载、高精度、高洁净度场合。（2）液压驱动——功率—质量比最大、输出力（力矩）大、刚性好、可实现无级调速，适用于重载、快速响应场合（如重载搬运、工程机械臂）；缺点是需液压源、易泄漏、污染环境、成本与维护要求高。（3）气压驱动——以压缩空气为介质，气源方便、成本低、动作迅速、不污染环境、结构简单；缺点是空气可压缩导致刚度低、位置精度差、噪声大，多用于抓取、夹紧、分拣等点位动作。工程上常采用“电机＋气动夹爪”的混合方案。207．简述机器人伺服电机的选型步骤。答：（1）计算负载：折算各关节的负载转矩、转动惯量与加减速需求，考虑重力矩、摩擦力矩和惯性力矩；（2）确定转速与转矩：按最大工作速度确定额定转速，按峰值工况确定最大转矩，并留1.5～2倍安全余量；（3）惯量匹配：负载折算惯量与电机转子惯量之比一般控制在5～10以内，比值过大将导致响应迟滞与振荡；（4）校验过载与发热：按均方根转矩校验连续工作时的温升，按峰值转矩校验短时过载能力；（5）确定编码器分辨率与制动器：分辨率应满足定位精度要求，垂直关节须配失电制动器；（6）校核体积、质量、供电电压、防护等级与成本，最后与减速器速比联合优化。步进电机选型则首先保证输出功率（转矩—频率特性）大于负载所需功率，并避开共振区。208．说明减速器在机器人关节中的作用及常用类型。答：作用有三：一是降低转速、增大转矩，使小功率电机能驱动大负载；二是提高分辨率与低速平稳性，把电机的最小转角进一步细分；三是匹配惯量、承受外负载弯矩，提高关节刚度。常用类型：（1）齿轮减速器——结构简单、效率高，多用于直角坐标机器人的直线轴；（2）蜗轮蜗杆减速器——可传递两交错轴间的运动，速比大、输出转矩大、有自锁性，但效率较低；（3）行星齿轮减速器——体积小、同轴输出、承载均匀，用于中等负载关节；（4）谐波减速器——靠柔轮弹性变形传动，体积小、重量轻、速比大、回差小，用于腕部、小臂；（5）RV减速器——摆线针轮行星传动，刚性好、精度高、抗冲击，用于基座、肩、肘等大负载关节。选用时兼顾速比、额定与峰值转矩、回差、效率和成本。209．已知需要测量50～60mm范围内的位移量，请选择合适的传感器，写出输出量计算公式和工作原理。答：选用量程0～100mm的导电塑料膜电位计式位移传感器（若要求更高精度可选用差动变压器式位移传感器LVDT）。输出公式：Uo＝(Ui／L)·x，其中Ui为激励电压，L为传感器有效行程，x为被测位移，Uo为输出电压；灵敏度K＝Ui／L，故位移x＝Uo·L／Ui。工作原理：导电塑料膜（或绕线电阻）两端加稳定激励电压，电刷与被测物体固连并沿电阻体滑动，电刷与端点之间的电阻随位移线性变化，输出端即取得与位移成正比的分压信号；将Uo送入A/D转换即可由单片机换算出位移量。选型要点：量程略大于被测范围（留20%余量）、分辨率高于0.05mm、线性度优于0.5%、注意电刷磨损与动态响应。若用LVDT，则Uo＝K·x，K为灵敏度，其原理是铁芯移动改变一次、二次绕组的互感，输出交流幅值与位移成正比。210．当机器人和物体发生接触时，需要获知的关键条件有哪些？答：（1）接触与否及接触时刻——判断是否发生碰撞或到达接触面；（2）接触点的位置与数量——确定接触点在被抓物体或环境表面的位置，用于稳定抓取与装配对准；（3）接触力（法向力与切向力）的大小与方向——决定握力是否足够、是否会造成物体损伤；（4）力矩分布——判断是否存在倾覆趋势，为力封闭与形封闭提供依据；（5）滑动状态——是否有相对滑移、滑移速度与方向，用于及时修正握力；（6）接触面的几何与物理性质——表面粗糙度、软硬、摩擦因数、是否为易碎件；（7）接触持续时间与变化趋势——区分瞬时碰撞与持续接触。工程上通常由触觉阵列、六维力／力矩传感器、滑觉传感器与视觉配合获取上述信息。二、分析题（211—216题）211．分析常见视觉系统的类型，并列出三种以上视觉系统的选型依据。答：按结构分，常见类型有：（1）单目视觉系统——一个摄像机，结构简单、成本低，可完成平面定位、尺寸测量、缺陷检测，但无法直接获得深度；（2）双目（立体）视觉系统——两个摄像机模拟人眼，通过视差恢复三维坐标，用于三维定位与抓取；（3）结构光视觉系统——投射已知光斑或光条，依据变形解算三维形貌，精度高，适合焊缝跟踪、三维测量；（4）激光扫描（线激光＋相机）系统——用于轮廓测量与引导；（5）多目／全方位视觉系统——多相机或多镜面全景成像，扩大视野，用于监控与移动机器人导航。选型依据：（1）测量任务与精度——平面检测选单目，三维定位选双目或结构光，并按精度要求确定分辨率与镜头焦距；（2）视场与工作距离——由工作空间决定镜头焦距与靶面尺寸，保证目标在视场内且分辨率足够；（3）节拍与实时性——高速产线需高帧率相机与硬件触发，算法复杂度要与处理能力匹配；（4）光照与环境适应性——需配套合适的光源（环形光、背光、同轴光），并考虑粉尘、振动、温度影响；（5）与被测物的适应性——颜色、反光、透明、柔性物体的成像差异；（6）接口与集成——相机接口（USB3.0、GigE、CameraLink）、与机器人控制器的通信方式、软件开发包与工具集的完备程度；（7）成本与维护。综合以上因素，在满足精度与节拍的前提下选择性价比较高、易于集成的方案。212．分析注射针视觉检测系统的工作原理。答：系统由输送机构、光源、工业相机（含远心镜头）、图像采集卡、工控机与剔除机构组成，工作过程为：（1）上料与定位——注射针由转盘或直线输送机构逐个送至检测工位，由机械定位或光电传感器触发；（2）成像——采用背光或同轴光源，使针管轮廓、针尖斜面、针座内孔形成高对比度图像，远心镜头消除透视误差，保证尺寸测量准确；（3）图像预处理——灰度化、去噪、二值化、边缘提取，分离针体与背景；（4）特征提取与判定——提取针尖轮廓与轴线，计算针尖偏差、毛刺、弯钩、斜面角度、针管长度、内孔通畅性（通孔面积）、针座有无缺料与飞边等参数，与标准值比对；（5）多工位检测——通常设置针尖、针管、针座、通畅性等多个工位，每个工位一台相机或一套光路，分别检测不同项目；（6）结果输出——合格品进入下道工序，不合格品由气缸剔除并分类记录，同时统计合格率、缺陷类型，实现质量追溯。系统的关键是照明设计与算法稳定性：针体为高反光金属圆柱面，须用漫射背光或同轴光抑制高光；针尖微小缺陷需亚像素边缘检测；输送中的抖动需用硬件触发与运动模糊补偿。213．绘制示意图说明超声波接近度传感器的工作原理。答：超声波接近度传感器由换能器（发射与接收）、驱动电路、计时与信号处理电路组成。工作原理：发射电路以一定频率的电脉冲激励压电换能器，产生40kHz左右的超声波脉冲向外发射；超声波在空气中传播，遇到障碍物（被测对象）表面后反射回来，由同一或另一换能器接收，转换为电信号，经放大、整形后输出。设超声波在空气中的传播速度为c（约340m/s，随温度变化，c≈331.4＋0.6T），从发射到接收的时间间隔为t，则传感器到对象的距离d＝c·t／2，除以2是因为声波往返了双程。信号处理电路把t换算为距离，并与设定阈值比较，输出开关量（接近／未接近）或模拟量（距离值）。示意图可画为：发射换能器→（发射声波）→障碍物→（反射声波）→接收换能器→放大整形→计时器→距离计算→输出。特点与注意事项：不受光照、颜色、透明度影响，成本低，但波束角较大（十几度）、分辨率约毫米级、对吸声材料与柔软物体反射弱、温度与风速会引起误差，多用于移动机器人避障与液位、料位检测。214．请设计一套简易室内气温控制系统，并画出控制设计流程图。答：系统组成：温度传感器（DS18B20或热敏电阻）→单片机（Arduino）→执行机构（加热器继电器、制冷／风扇继电器）→被控对象（室内空气）；另设显示模块（LCD／OLED）与按键（设定温度）。控制原理：设定目标温度Ts，传感器周期采样实际温度T，计算偏差e＝T－Ts，采用带回差（滞环）的开关控制或PID控制：当T＜Ts－Δ时启动加热，当T＞Ts＋Δ时启动制冷／通风，当|e|≤Δ时两者均停止，回差Δ取0.5～1℃以避免执行机构频繁启停；若用PID，则输出u＝Kpe＋Ki∫edt＋Kdde/dt，经PWM调节加热功率。控制流程图：开始→初始化（传感器、显示、执行器）→读取设定温度→采样实际温度T→显示T→计算偏差e→判断e＜－Δ？（是→启动加热，返回采样）→判断e＞＋Δ？（是→启动制冷／通风，返回采样）→否则关闭执行器→返回采样，循环执行。设计要点：传感器安装避开热源与直射阳光；继电器触点加续流保护；设置超温保护与断电安全状态；采样周期取1～5s。215．如何用Arduino进行机器人的控制系统设计？答：Arduino给硬件开发降低了设计门槛，开源电路图可直接复用到自己的电路中，其设计流程为：（1）需求分析与功能分解——明确机器人要实现的动作（行走、转向、避障、抓取）、输入输出点数与控制精度；（2）硬件选型——按I/O数量与运算需求选板（Uno／Nano／Mega2560），配置电机驱动模块（L298N、TB6612或伺服驱动器）、传感器（超声波、红外、编码器、IMU）、电源（电池＋稳压模块）；（3）电路连接与供电设计——注意电机电源与逻辑电源分开、共地处理、加滤波电容与续流二极管，避免电机干扰导致复位；（4）程序结构设计——按“初始化—采样—决策—输出”的循环组织，setup()中完成引脚模式、串口、库的初始化，loop()中完成传感器读取、控制算法与执行器输出；（5）控制算法实现——采用PWM调速、差速转向、阈值避障或PID闭环；复杂任务可用有限状态机组织；（6）调试与优化——先用串口打印监视传感器数值与中间变量，再逐步联调，最后做整机联调与参数整定；（7）固化与可靠性处理——加入看门狗、超时保护、低压报警与失效安全策略。Arduino适合快速原型验证，若对实时性、多轴联动要求高，可改用STM32或专用运动控制器，Arduino仅作上层逻辑与传感采集。216．如何针对不同的控制任务进行控制系统设计？答：控制任务可分为点位控制、连续轨迹控制、力（柔顺）控制和移动机器人导航控制四类，设计要点各异：（1）点位控制（点焊、上下料、码垛）——只要求终点准确，中间路径不限，设计时以“快速定位、无超调”为目标，采用梯形或S形速度曲线，重点整定位置环增益与加减速时间；（2）连续轨迹控制（弧焊、喷涂、打磨）——要求末端沿预定路径以给定速度连续运动，须做轨迹插补（直线、圆弧插补）与关节空间同步，重点保证路径精度与速度平稳，需较高的插补周期与伺服带宽；（3）力控制（装配、抛光、抓取易碎件）——需六维力传感器与阻抗／导纳控制，把位置环外环改为力环，设计时确定期望刚度与阻尼参数，并处理接触瞬间的冲击；（4）移动机器人导航控制——分层设计：任务层（路径规划）—行为层（避障、跟随）—执行层（轮速闭环），重点解决定位与地图（SLAM）、局部避障与控制律（纯跟踪、模型预测控制）。此外，无论哪类任务，都要先明确被控对象的数学模型与性能指标（精度、快速性、稳定性），据此选择开环或闭环、PID或现代控制算法，再确定采样周期（一般为系统最小时间常数的1/10～1/5），最后通过仿真与实验整定参数，并做抗干扰与失效安全设计。三、设计题（217—222题）217．设计一个Arduino控制程序，读取两个电位器的角度，并将其角度之和作为舵机的输出角度，给出Arduino程序。答：思路：两个电位器分别接A0、A1，Arduino的10位A/D将0～5V转换为0～1023；舵机接D9，采用Servo库，write()的角度范围为0～180°。单个电位器折算角度为value×180/1024，两者之和可能超过180°，故用constrain()限幅，或用取余方式循环。参考程序如下：#include"Servo.h"//调用舵机库Servos;//声明舵机对象intinput1=0;//第一路电位器读数intinput2=0;//第二路电位器读数intoutput=0;//输出角度voidsetup(){Serial.begin(9600);//初始化串口，便于监视s.attach(9);//舵机信号线接D9}voidloop(){input1=analogRead(A0);//读取第一路（0～1023）input2=analogRead(A1);//读取第二路（0～1023）output=input1*90/1024+input2*90/1024;//各折算为0～90°，再求和output=constrain(output,0,180);//限幅到舵机行程s.write(output);//输出到舵机Serial.print(input1);Serial.print("");Serial.print(input2);Serial.print("");Serial.println(output);delay(20);//稳定周期}说明：①两个电位器各折算为0～90°，其和恰为0～180°，无需限幅即可覆盖舵机全行程，若希望单路即覆盖全行程，可改为i