2025年機器人技術(shù)與應(yīng)用專業(yè)試題及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.采用DH參數(shù)法對串聯(lián)機器人建模時，相鄰兩連桿的四個DH參數(shù)不包括以下哪項？（）A.連桿長度α_iB.連桿扭轉(zhuǎn)角θ_iC.關(guān)節(jié)偏置d_iD.關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角α_i2.工業(yè)機器人雅可比矩陣J(q)的物理意義是（）A.描述關(guān)節(jié)空間到操作空間的速度映射關(guān)系B.表示末端執(zhí)行器的位姿與關(guān)節(jié)角的函數(shù)關(guān)系C.反映機器人動力學(xué)中的慣性矩陣特性D.用于計算機器人逆運動學(xué)的解析解3.以下哪種傳感器常用于移動機器人的實時定位與地圖構(gòu)建（SLAM）？（）A.單目攝像頭B.觸覺傳感器C.力/扭矩傳感器D.溫度傳感器4.機器人軌跡規(guī)劃中，“三次多項式插值”與“五次多項式插值”的主要區(qū)別是（）A.前者僅保證位置連續(xù)，后者保證速度連續(xù)B.前者保證速度連續(xù)，后者保證加速度連續(xù)C.前者適用于關(guān)節(jié)空間規(guī)劃，后者適用于笛卡爾空間規(guī)劃D.前者計算復(fù)雜度低，后者對機械沖擊更小5.協(xié)作機器人（Cobot）區(qū)別于傳統(tǒng)工業(yè)機器人的核心特征是（）A.更高的重復(fù)定位精度B.集成力控與碰撞檢測功能C.支持離線編程D.采用串聯(lián)機械結(jié)構(gòu)6.機器人動力學(xué)方程中，科里奧利力項C(q,q?)的物理意義是（）A.由關(guān)節(jié)角加速度引起的慣性力B.由關(guān)節(jié)速度耦合產(chǎn)生的附加力C.重力場中各連桿的重力總和D.機械關(guān)節(jié)的摩擦力矩7.以下哪種控制算法適用于機器人高精度軌跡跟蹤，且對模型誤差有較強魯棒性？（）A.開環(huán)控制B.PID控制C.計算力矩控制（ComputedTorqueControl）D.模糊控制8.移動機器人路徑規(guī)劃中，DWA（動態(tài)窗口法）與A算法的主要差異是（）A.前者適用于全局規(guī)劃，后者適用于局部規(guī)劃B.前者考慮機器人實時速度約束，后者僅基于靜態(tài)環(huán)境C.前者生成最短路徑，后者生成平滑路徑D.前者依賴先驗地圖，后者無需環(huán)境信息9.工業(yè)機器人末端執(zhí)行器（Endeffector）的“柔順控制”主要用于以下哪種場景？（）A.高速搬運重物B.精密裝配（如齒輪嚙合）C.激光切割D.噴涂作業(yè)10.機器人感知系統(tǒng)中，“點云配準”技術(shù)的主要目的是（）A.提高攝像頭的成像分辨率B.融合多幀激光雷達數(shù)據(jù)以構(gòu)建完整環(huán)境模型C.增強力傳感器的測量精度D.優(yōu)化電機的控制響應(yīng)速度二、填空題（每空2分，共20分）1.機器人正運動學(xué)的核心任務(wù)是根據(jù)__________求解末端執(zhí)行器的位姿。2.并聯(lián)機器人的典型優(yōu)勢是__________（列舉1項），但工作空間相對較小。3.機器人控制中，“零力控制”的目標是使末端執(zhí)行器__________。4.SLAM技術(shù)的全稱是__________。5.工業(yè)機器人的重復(fù)定位精度通常用__________（單位）表示。6.機器人力控制的兩種主要方式是__________和阻抗控制。7.多關(guān)節(jié)機器人的“奇異性”是指雅可比矩陣__________的狀態(tài)，此時無法實現(xiàn)某些方向的運動。8.移動機器人的“阿克曼轉(zhuǎn)向”結(jié)構(gòu)常用于__________（填“輪式”或“足式”）機器人。9.協(xié)作機器人的安全標準（如ISO10218）通常要求其最大運行速度不超過__________m/s（非接觸場景）。10.機器人視覺系統(tǒng)中，“立體視覺”通過__________原理計算物體深度信息。三、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述DH參數(shù)法建模串聯(lián)機器人的基本步驟。2.比較串聯(lián)機器人與并聯(lián)機器人在結(jié)構(gòu)、性能上的主要差異（至少列出3點）。3.解釋機器人力控制中“力/位置混合控制”的基本思想，并說明其適用場景。4.分析多傳感器融合（如激光雷達+攝像頭+IMU）在移動機器人中的必要性。5.列舉協(xié)作機器人的5項關(guān)鍵安全設(shè)計要素。四、分析計算題（每題15分，共30分）1.某2自由度平面串聯(lián)機械臂（如圖1所示），關(guān)節(jié)1為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（轉(zhuǎn)角θ?），關(guān)節(jié)2為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（轉(zhuǎn)角θ?），連桿1長度L?=0.5m，連桿2長度L?=0.3m。要求：（1）建立該機械臂的DH參數(shù)表；（2）推導(dǎo)其正運動學(xué)方程（末端位姿矩陣T）；（3）當θ?=30°，θ?=60°時，計算末端執(zhí)行器的坐標(x,y)。（注：圖1為簡化示意圖，連桿均為剛性，關(guān)節(jié)軸線垂直于平面）2.某移動機器人需在倉庫環(huán)境中執(zhí)行貨物搬運任務(wù)，環(huán)境包含靜態(tài)障礙物（貨架）和動態(tài)障礙物（其他機器人）。請分析：（1）應(yīng)選擇哪種全局路徑規(guī)劃算法（如A、Dijkstra、RRT）？說明理由；（2）應(yīng)選擇哪種局部路徑規(guī)劃算法（如DWA、人工勢場法、TEB）？說明理由；（3）如何融合全局路徑與局部規(guī)劃結(jié)果，確保機器人安全高效運行？五、綜合應(yīng)用題（20分）隨著醫(yī)療機器人技術(shù)的發(fā)展，微創(chuàng)手術(shù)機器人（如達芬奇手術(shù)系統(tǒng)升級版）成為研究熱點。假設(shè)你是某醫(yī)療機器人研發(fā)團隊成員，需設(shè)計一款新型腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人。要求：（1）提出該機器人的機械結(jié)構(gòu)方案（如串聯(lián)/并聯(lián)、自由度數(shù)量及分布）；（2）設(shè)計其感知系統(tǒng)（需包含至少3類傳感器，并說明各傳感器的作用）；（3）提出關(guān)鍵控制技術(shù)（需涉及力控、位控及人機協(xié)作）；（4）列出需滿足的3項核心性能指標（如精度、響應(yīng)時間、安全性）。答案一、單項選擇題1.D（DH參數(shù)包括連桿長度a_i、連桿扭轉(zhuǎn)角α_i、關(guān)節(jié)偏置d_i、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角θ_i，α_i是連桿扭轉(zhuǎn)角，非關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角）2.A（雅可比矩陣J(q)的列向量表示各關(guān)節(jié)速度對末端線速度和角速度的貢獻，反映關(guān)節(jié)空間到操作空間的速度映射）3.A（單目攝像頭可通過視覺SLAM構(gòu)建地圖，激光雷達也常用，但選項中A為正確；觸覺、力傳感器用于交互，溫度傳感器無關(guān)）4.B（三次多項式保證速度連續(xù)，五次多項式保證加速度連續(xù)，后者軌跡更平滑，減少機械沖擊）5.B（協(xié)作機器人核心是安全協(xié)作，通過力控、碰撞檢測實現(xiàn)與人共融，傳統(tǒng)機器人依賴物理隔離）6.B（科里奧利力項由關(guān)節(jié)速度的乘積項產(chǎn)生，反映速度耦合效應(yīng)；慣性力對應(yīng)M(q)q?，重力對應(yīng)G(q)）7.C（計算力矩控制基于動力學(xué)模型，通過前饋補償模型誤差，結(jié)合反饋控制實現(xiàn)高精度跟蹤；PID對模型誤差魯棒性較弱）8.B（DWA是局部規(guī)劃算法，考慮機器人當前速度和加速度約束，適用于動態(tài)環(huán)境；A是全局規(guī)劃，基于靜態(tài)地圖）9.B（柔順控制通過調(diào)節(jié)力/位置關(guān)系，適應(yīng)裝配中的接觸力變化，避免剛性碰撞損壞零件）10.B（點云配準將多幀激光雷達數(shù)據(jù)對齊，消除位移偏差，構(gòu)建完整環(huán)境模型）二、填空題1.關(guān)節(jié)變量（或關(guān)節(jié)角）2.剛度高（或承載能力強、精度高）3.跟隨外部接觸力自由移動（或表現(xiàn)為“零阻抗”）4.同步定位與地圖構(gòu)建（SimultaneousLocalizationandMapping）5.毫米（mm）6.力跟蹤控制（或直接力控制）7.行列式為零（或不可逆）8.輪式9.0.2510.三角測量三、簡答題1.DH參數(shù)法建模步驟：（1）為每個連桿定義坐標系：固定基坐標系O?，連桿i的坐標系O_i固連于連桿i的末端；（2）確定相鄰連桿i和i+1的四個DH參數(shù)：-a_i：連桿長度（沿x_i軸，從z_i到z_{i+1}的距離）；-α_i：連桿扭轉(zhuǎn)角（繞x_i軸，從z_i到z_{i+1}的夾角）；-d_i：關(guān)節(jié)偏置（沿z_i軸，從x_i到x_{i+1}的距離，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)時d_i為常數(shù)）；-θ_i：關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角（繞z_i軸，從x_i到x_{i+1}的夾角，移動關(guān)節(jié)時θ_i為常數(shù)）；（3）構(gòu)建相鄰連桿的齊次變換矩陣A_i(θ_i/d_i)，總變換矩陣T=A?A?…A_n。2.串聯(lián)與并聯(lián)機器人差異：（1）結(jié)構(gòu)：串聯(lián)為開鏈結(jié)構(gòu)（連桿首尾相連），并聯(lián)為閉鏈結(jié)構(gòu)（多個分支連接動平臺與靜平臺）；（2）工作空間：串聯(lián)工作空間大（近似球體），并聯(lián)工作空間小（受限閉鏈約束）；（3）剛度與負載：串聯(lián)剛度低（連桿懸臂效應(yīng)）、負載能力弱，并聯(lián)剛度高（多分支支撐）、負載能力強；（4）精度：串聯(lián)重復(fù)定位精度較高（開鏈易標定），并聯(lián)絕對定位精度較高（閉鏈誤差平均）；（5）應(yīng)用場景：串聯(lián)多用于搬運、焊接（需大空間），并聯(lián)多用于精密加工、醫(yī)療（需高剛度）。3.力/位置混合控制思想及場景：基本思想：將操作空間劃分為位置控制方向（如自由運動方向）和力控制方向（如接觸約束方向），分別設(shè)計位置控制器和力控制器，通過選擇矩陣分配控制量。適用場景：需要同時跟蹤位置和接觸力的任務(wù)，例如：-機器人裝配（軸孔配合時，沿軸線方向控制力，垂直方向控制位置）；-拋光打磨（沿表面法線方向控制力，切線方向控制軌跡）；-人機協(xié)作（接觸人體時控制力，非接觸時控制位置）。4.多傳感器融合的必要性：（1）互補性：激光雷達精度高但無法識別顏色/紋理，攝像頭提供視覺信息（如物體類別），IMU提供高頻姿態(tài)數(shù)據(jù)（彌補激光/視覺的低頻延遲）；（2）魯棒性：單一傳感器易受環(huán)境干擾（如激光雷達在雨霧中衰減，攝像頭在低光照下失效），融合后可提高系統(tǒng)可靠性；（3）信息豐富度：融合后可獲取更全面的環(huán)境信息（如點云+圖像語義分割，實現(xiàn)障礙物分類；IMU+輪式編碼器實現(xiàn)定位冗余）；（4）實時性：通過傳感器時間同步與數(shù)據(jù)融合，可提升SLAM、路徑規(guī)劃的實時性（如用IMU預(yù)測位姿，等待激光雷達/視覺的更新）。5.協(xié)作機器人安全設(shè)計要素：（1）力感知與碰撞檢測：集成力矩傳感器或通過電流估計關(guān)節(jié)力矩，實時檢測意外接觸并觸發(fā)停機/減速；（2）速度與功率限制：運行速度≤0.25m/s（ISO10218-1），功率/扭矩限制避免人體傷害；（3）安全級監(jiān)控（Safety-ratedMonitoring）：通過雙處理器冗余設(shè)計，實時監(jiān)控關(guān)節(jié)位置、速度、溫度等狀態(tài)；（4）人機交互界面：配備急停按鈕、手動引導(dǎo)模式（手動拖動示教）、視覺/聲音報警（如接近人體時提示）；（5）機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化：采用圓潤無銳角設(shè)計，減少夾傷風(fēng)險；關(guān)節(jié)使用彈性元件（如諧波減速器+彈性聯(lián)軸節(jié)）吸收沖擊。四、分析計算題1.（1）DH參數(shù)表（平面機械臂，z軸垂直平面向上）：|連桿i|a_i（連桿長度）|α_i（扭轉(zhuǎn)角）|d_i（關(guān)節(jié)偏置）|θ_i（關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角）||-|--||--|--||1|L?=0.5m|0°（z?與z?平行）|0（旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)）|θ?（變量）||2|L?=0.3m|0°（z?與z?平行）|0（旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)）|θ?（變量）|（2）正運動學(xué)方程：相鄰連桿變換矩陣A?和A?：A?=Rot(z,θ?)Trans(x,L?)=[cosθ?,-sinθ?,0,L?cosθ?][sinθ?,cosθ?,0,L?sinθ?][0,0,1,0][0,0,0,1]A?=Rot(z,θ?)Trans(x,L?)=[cosθ?,-sinθ?,0,L?cosθ?][sinθ?,cosθ?,0,L?sinθ?][0,0,1,0][0,0,0,1]總變換矩陣T=A?A?：x=L?cosθ?+L?cos(θ?+θ?)y=L?sinθ?+L?sin(θ?+θ?)（末端位姿矩陣的前兩列表示方向，第三列表示位置，此處僅需坐標x,y）（3）代入θ?=30°（π/6），θ?=60°（π/3）：cos30°=√3/2≈0.866，sin30°=0.5；cos(30°+60°)=cos90°=0，sin(90°)=1；x=0.5×0.866+0.3×0≈0.433my=0.5×0.5+0.3×1=0.25+0.3=0.55m末端坐標為(0.433m,0.55m)。2.（1）全局路徑規(guī)劃算法選擇A算法：理由：倉庫環(huán)境相對結(jié)構(gòu)化（貨架布局固定），A算法基于靜態(tài)地圖（如柵格地圖），通過啟發(fā)式函數(shù)（如曼哈頓距離）搜索最短路徑，計算效率較高，適合全局最優(yōu)路徑規(guī)劃。（2）局部路徑規(guī)劃算法選擇DWA（動態(tài)窗口法）：理由：倉庫中存在動態(tài)障礙物（其他機器人），DWA通過采樣機器人當前可行的速度窗口（考慮最大加速度約束），評估每個速度對應(yīng)的軌跡與障礙物的距離、與全局路徑的偏離度，選擇最優(yōu)速度，實時性強，適合動態(tài)環(huán)境避障。（3）全局與局部路徑融合方法：-全局路徑作為參考軌跡，局部規(guī)劃在全局路徑附近搜索（如限制局部規(guī)劃的搜索范圍為全局路徑±0.5m）；-引入“路徑跟隨”控制器（如純追蹤算法），將全局路徑離散為目標點，局部規(guī)劃確保機器人沿目標點移動，同時避開動態(tài)障礙物；-當局部規(guī)劃無法找到可行路徑時（如全局路徑被臨時阻擋），觸發(fā)全局路徑重規(guī)劃（調(diào)用A算法重新生成路徑），并更新局部規(guī)劃的參考軌跡。五、綜合應(yīng)用題（1）機械結(jié)構(gòu)方案：采用“主從操作+串聯(lián)臂”結(jié)構(gòu)，包含7自由度：-3個移動自由度（基座沿手術(shù)床導(dǎo)軌的X/Y/Z平移，實現(xiàn)粗定位）；-4個旋轉(zhuǎn)自由度（腕部的俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)，以及末端手術(shù)工具的旋轉(zhuǎn)），模擬醫(yī)生手部靈活操作；-