2025年機器人級理論試題及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.基于DH（Denavit-Hartenberg）參數(shù)法建立機械臂坐標系時，相鄰兩連桿的公共法線方向?qū)?yīng)以下哪一參數(shù)？A.連桿長度（a_i）B.連桿扭角（α_i）C.關(guān)節(jié)偏移（d_i）D.關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角（θ_i）2.工業(yè)機器人雅可比矩陣的列向量表示：A.各關(guān)節(jié)速度對末端線速度的影響系數(shù)B.各關(guān)節(jié)力矩對末端力的傳遞效率C.各關(guān)節(jié)加速度對末端加速度的耦合關(guān)系D.各關(guān)節(jié)位移對末端位姿的偏導(dǎo)數(shù)3.以下哪種傳感器常用于機器人三維環(huán)境建模？A.激光測距儀（LiDAR）B.編碼器C.傾角傳感器D.電流傳感器4.機器人PID控制中，積分項（I項）的主要作用是：A.減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差B.提高響應(yīng)速度C.抑制高頻噪聲D.增強抗干擾能力5.SLAM（同步定位與地圖構(gòu)建）技術(shù)中，回環(huán)檢測的核心目的是：A.降低傳感器誤差累積B.提高地圖分辨率C.優(yōu)化路徑規(guī)劃效率D.識別動態(tài)障礙物6.人形機器人雙足平衡控制中，ZMP（零力矩點）需滿足的條件是：A.ZMP位于支撐多邊形投影內(nèi)B.ZMP與質(zhì)心水平坐標重合C.ZMP垂直高度等于腿長D.ZMP與踝關(guān)節(jié)力矩?zé)o關(guān)7.協(xié)作機器人（Cobot）區(qū)別于傳統(tǒng)工業(yè)機器人的關(guān)鍵特性是：A.更高的重復(fù)定位精度B.內(nèi)置力覺傳感器與碰撞檢測C.支持離線編程D.負載/自重比更大8.機器人運動學(xué)奇異性是指：A.雅可比矩陣行列式為零，末端某方向不可控B.關(guān)節(jié)速度超過物理極限C.工作空間超出機械結(jié)構(gòu)限制D.傳感器數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常跳變9.以下哪種算法適用于機器人路徑規(guī)劃中的全局最優(yōu)解搜索？A.A算法B.勢場法C.模糊控制D.強化學(xué)習(xí)10.機器人倫理中“責(zé)任歸屬”問題的核心爭議點是：A.機器人是否具備法律人格B.開發(fā)者與使用者的責(zé)任邊界C.機器人自主決策的道德判斷D.數(shù)據(jù)隱私保護的技術(shù)實現(xiàn)二、填空題（每空1分，共15分）1.工業(yè)機器人的自由度是指__________的獨立運動參數(shù)數(shù)量。2.機械臂工作空間分為__________（所有位姿可達）和__________（僅位置可達）。3.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）通常由__________和__________組成，用于測量加速度和角速度。4.機器人軌跡規(guī)劃的兩種主要方式是__________（基于關(guān)節(jié)空間）和__________（基于笛卡爾空間）。5.力控制的基本方法包括__________（通過力傳感器反饋調(diào)整位置）和__________（直接控制輸出力）。6.多智能體機器人系統(tǒng)（MARSS）的協(xié)調(diào)策略可分為__________（集中式規(guī)劃）和__________（分布式自主決策）。7.機器人操作系統(tǒng)（ROS）中，節(jié)點（Node）通過__________（發(fā)布/訂閱模式）或__________（請求/響應(yīng)模式）通信。8.人機協(xié)作（HRC）的安全標準（如ISO10218）要求機器人需具備__________（接觸前停止）和__________（接觸后限力）功能。三、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述正運動學(xué)與逆運動學(xué)的區(qū)別，并說明各自的工程應(yīng)用場景。2.解釋“奇異位形”對機器人操作的影響，并列舉兩種避免奇異位形的方法。3.對比激光雷達（LiDAR）與視覺傳感器（攝像頭）在機器人環(huán)境感知中的優(yōu)缺點。4.說明自適應(yīng)控制（AdaptiveControl）在機器人中的適用場景，與傳統(tǒng)PID控制相比有何優(yōu)勢？5.機器人倫理中“自主決策邊界”問題的核心矛盾是什么？請結(jié)合醫(yī)療機器人或服務(wù)機器人實例說明。四、綜合分析題（共35分）1.運動學(xué)計算（12分）某2自由度機械臂結(jié)構(gòu)如下：-關(guān)節(jié)1（旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)）：初始位置θ?=0°，連桿長度a?=300mm；-關(guān)節(jié)2（旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)）：初始位置θ?=0°，連桿長度a?=200mm；-各關(guān)節(jié)坐標系按DH法建立，其中α?=0°，d?=0；α?=0°，d?=0。（1）列出該機械臂的DH參數(shù)表；（4分）（2）推導(dǎo)末端執(zhí)行器相對于基坐標系的位姿矩陣（齊次變換矩陣）；（4分）（3）當θ?=30°，θ?=60°時，計算末端的坐標（x,y）。（4分）2.系統(tǒng)設(shè)計題（13分）設(shè)計一款用于酒店場景的服務(wù)機器人，需實現(xiàn)“自主導(dǎo)航至客房送物”功能。要求：（1）列出所需的核心傳感器及作用；（5分）（2）描述導(dǎo)航系統(tǒng)的整體流程（從啟動到完成任務(wù)）；（5分）（3）提出應(yīng)對動態(tài)障礙物（如行人）的解決方案。（3分）3.故障分析題（10分）某工業(yè)機器人在搬運工件時出現(xiàn)“末端位置偏差逐漸增大”現(xiàn)象，經(jīng)檢查：-編碼器信號正常；-伺服電機電流無異常；-力傳感器未檢測到外部干擾；-控制器參數(shù)未修改。（1）分析可能的故障原因（至少3點）；（6分）（2）提出排查與解決措施。（4分）答案一、單項選擇題1.A2.D3.A4.A5.A6.A7.B8.A9.A10.B二、填空題1.確定末端位姿2.全工作空間；位置工作空間3.加速度計；陀螺儀4.關(guān)節(jié)空間規(guī)劃；笛卡爾空間規(guī)劃5.阻抗控制；力反饋控制6.集中式協(xié)調(diào)；分布式協(xié)調(diào)7.話題（Topic）；服務(wù)（Service）8.安全限速；力/力矩限制三、簡答題1.區(qū)別：正運動學(xué)已知各關(guān)節(jié)角度，求解末端位姿（正向映射）；逆運動學(xué)已知末端位姿，求解關(guān)節(jié)角度（逆向映射，可能多解或無解）。應(yīng)用場景：正運動學(xué)用于軌跡規(guī)劃時的末端位姿驗證；逆運動學(xué)用于根據(jù)目標位置反推關(guān)節(jié)控制量（如抓取任務(wù)中調(diào)整機械臂姿態(tài)）。2.影響：奇異位形下雅可比矩陣秩下降，末端某方向（如旋轉(zhuǎn)或平移）無法控制，可能導(dǎo)致關(guān)節(jié)速度激增或操作失效。避免方法：（1）規(guī)劃路徑時避開奇異區(qū)域（如通過運動學(xué)優(yōu)化算法標記奇異位形）；（2）增加冗余自由度（如7自由度機械臂可通過調(diào)整冗余關(guān)節(jié)規(guī)避奇異點）。3.LiDAR：優(yōu)點—測距精度高、受光照影響小、直接獲取三維點云；缺點—成本高、對透明/低反射率物體敏感。視覺傳感器：優(yōu)點—成本低、信息豐富（顏色、紋理）、可識別語義（如標識牌）；缺點—依賴光照、深度信息需通過雙目或結(jié)構(gòu)光重建，計算復(fù)雜度高。4.適用場景：當機器人負載變化大（如搬運不同重量工件）或動力學(xué)參數(shù)未知（如新型機械臂）時，自適應(yīng)控制可在線調(diào)整參數(shù)以保持性能。優(yōu)勢：相比PID（依賴精確模型），自適應(yīng)控制能補償模型不確定性和外部擾動，提高系統(tǒng)魯棒性。5.核心矛盾：機器人自主決策需在“遵循預(yù)設(shè)規(guī)則”與“靈活適應(yīng)場景”間平衡，可能導(dǎo)致倫理沖突（如醫(yī)療機器人在急救中是否突破常規(guī)操作流程）。實例：手術(shù)機器人若按預(yù)設(shè)程序避開某血管，但實際情況需緊急止血時，自主決策可能引發(fā)“是否越權(quán)”爭議，需在設(shè)計中明確“緊急情況下人工介入優(yōu)先級”。四、綜合分析題1.運動學(xué)計算（1）DH參數(shù)表：|關(guān)節(jié)i|a_i(mm)|α_i(°)|d_i(mm)|θ_i(°)（變量）||-|-||-|||1|300|0|0|θ?||2|200|0|0|θ?|（2）齊次變換矩陣推導(dǎo)：單關(guān)節(jié)變換矩陣：T??=Rot(z,θ?)Trans(x,a?)=[cosθ?-sinθ?0a?cosθ?][sinθ?cosθ?0a?sinθ?][0010][0001]T?1=Rot(z,θ?)Trans(x,a?)=[cosθ?-sinθ?0a?cosθ?][sinθ?cosθ?0a?sinθ?][0010][0001]末端位姿矩陣T??=T??·T?1=[cos(θ?+θ?)-sin(θ?+θ?)0a?cosθ?+a?cos(θ?+θ?)][sin(θ?+θ?)cos(θ?+θ?)0a?sinθ?+a?sin(θ?+θ?)][0010][0001]（3）θ?=30°，θ?=60°時：x=300cos30°+200cos(90°)=300×(√3/2)+200×0≈259.8mmy=300sin30°+200sin(90°)=300×0.5+200×1=150+200=350mm2.系統(tǒng)設(shè)計題（1）核心傳感器：-激光雷達（LiDAR）：360°掃描獲取環(huán)境點云，構(gòu)建地圖并定位；-深度攝像頭（如RGB-D）：識別障礙物高度（如臺階）和語義（如客房門牌號）；-慣性測量單元（IMU）：輔助定位，補償LiDAR在快速移動時的誤差；-超聲波傳感器：近距離檢測透明障礙物（如玻璃門）；-編碼器：測量輪式底盤的輪速，用于航位推算。（2）導(dǎo)航流程：①初始化：加載酒店地圖（提前通過SLAM構(gòu)建），通過LiDAR+IMU+編碼器融合定位初始位置；②路徑規(guī)劃：根據(jù)目標客房位置，使用A算法生成全局路徑，結(jié)合動態(tài)障礙物信息（如行人）用DWA（動態(tài)窗口法）調(diào)整局部路徑；③執(zhí)行移動：底盤控制器根據(jù)路徑輸出輪速指令，實時通過傳感器檢測環(huán)境；④到達目標：通過深度攝像頭識別客房門牌號，確認位置后停止；⑤任務(wù)完成：通知用戶取物，返回待機點（或接受新任務(wù)）。（3）動態(tài)障礙物應(yīng)對：①檢測：通過LiDAR點云聚類和視覺目標檢測（如YOLO算法）識別行人；②預(yù)測：使用卡爾曼濾波預(yù)測行人運動軌跡；③決策：若預(yù)測碰撞，觸發(fā)“軟?！保p速繞行）或“硬停”（靜止等待），同時通過語音提示行人（如“請小心，機器人正在通過”）。3.故障分析題（1）可能原因：①機械傳動間隙：長時間運行后，齒輪或諧波減速器出現(xiàn)磨損，導(dǎo)致關(guān)節(jié)空程誤差累積；②溫度漂移：伺服電機或驅(qū)動模塊因發(fā)熱導(dǎo)致參數(shù)變化（如電阻增大），影響控制精度；③標定誤差：初始安裝時未正確標定工具坐標系（TCP），末