2025年機械工程專升本機器人技術基礎試卷（含答案）考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、單項選擇題（每題2分，共20分。下列每小題備選答案中，只有一個是符合題意的，請將正確選項的代表字母填在題后的括號內。)1.機器人能夠自動執(zhí)行工作的能力，主要來源于其具備（）。A.高級情感B.自主意識C.精密的機械結構和感知控制系統(tǒng)D.特殊的金屬材質2.在機器人學中，描述機器人末端執(zhí)行器在給定關節(jié)角度下所處位置的數學關系是（）。A.逆運動學B.正運動學C.機器人動力學D.機器人控制3.一個具有三個旋轉關節(jié)和兩個移動關節(jié)的機器人，其自由度數為（）。A.3B.5C.6D.84.機器人基坐標系通常定義在（）。A.機器人末端執(zhí)行器上B.機器人腰部C.環(huán)境中的固定參考點上D.機器人最底層的關節(jié)處5.能夠感知機器人自身狀態(tài)（如關節(jié)位置、速度）的傳感器是（）。A.視覺傳感器B.力傳感器C.接近傳感器D.編碼器6.機器人軌跡規(guī)劃的主要目的是（）。A.設計機器人的機械結構B.控制機器人的運動速度C.確定機器人從起點到終點的工作路徑，并使其滿足特定約束條件D.選擇合適的傳感器類型7.以下哪種機構通常用于實現(xiàn)機器人關節(jié)的旋轉運動？（）A.滑動副B.螺旋副C.旋轉副D.萬向節(jié)8.機器人動力學研究的是（）。A.機器人的運動軌跡規(guī)劃B.機器人的結構設計和自由度C.機器人的能量消耗和驅動力與運動關系D.機器人的感知和決策能力9.在機器人操作過程中，需要考慮避免與周圍環(huán)境或物體發(fā)生碰撞的規(guī)劃屬于（）。A.軌跡規(guī)劃B.碰撞檢測C.運動學控制D.動力學控制10.最早出現(xiàn)的工業(yè)機器人類型是（）。A.柔性制造單元中的機器人B.汽車制造業(yè)中的焊接機器人C.協(xié)作機器人D.空間應用機器人二、判斷題（每題1分，共10分。請將正確的請在括號內打“√”，錯誤的打“×”。）1.機器人的工作空間是指機器人手臂末端能夠到達的所有點的集合。（）2.無論是串聯(lián)機器人還是并聯(lián)機器人，其自由度數都等于其關節(jié)數。（）3.機器人坐標系中的工具坐標系（TCP）是為了描述工具末端執(zhí)行器的姿態(tài)。（）4.機器人的正運動學問題是唯一的，給定關節(jié)角度，可以唯一確定末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)。（）5.機器人的逆運動學問題可能是多解的，即多個關節(jié)角度可以實現(xiàn)同一個末端執(zhí)行器位置。（）6.伺服電機常用于機器人的關節(jié)驅動，因為它可以提供較大的力矩和精確的速度控制。（）7.機器人傳感器的作用僅僅是感知外部環(huán)境。（）8.機器人的示教編程是一種基于模型的編程方式。（）9.機器人的動力學分析比運動學分析更為簡單。（）10.所有機器人都可以在三維空間中自由移動。（）三、填空題（每題1分，共15分。請將答案填寫在橫線上。)1.機器人通常由________、________、________和控制系統(tǒng)組成。2.描述一個物體在空間中的位置和姿態(tài)需要________個獨立的參數。3.機器人運動學只研究機器人的位置和姿態(tài)關系，不考慮________和________。4.機器人動力學研究機器人的運動與所受力之間的關系，需要考慮機器人的________和質量分布。5.機器人常用的坐標系包括世界坐標系、基坐標系、關節(jié)坐標系和________。6.機器人末端執(zhí)行器是安裝在機器人手臂最末端的部件，用于執(zhí)行________或________。7.機器人控制系統(tǒng)的主要任務是根據指令控制機器人的運動，使其精確地執(zhí)行________。8.常用的機器人傳感器有位置傳感器（如________）、力傳感器、視覺傳感器、接近傳感器等。9.根據結構不同，工業(yè)機器人可以分為________機器人和________機器人。10.機器人編程語言通?？梢苑譃開_______編程和________編程。11.機器人的工作空間根據其結構形式不同，可以分為________工作空間和________工作空間。12.機器人軌跡規(guī)劃包括________規(guī)劃和________規(guī)劃。13.機器人的控制方法包括________控制、________控制和伺服控制。14.機器人在搬運重物時，需要考慮其________和________。15.機器人在人機協(xié)作場景下，需要具備良好的________和安全性。四、簡答題（每題5分，共20分。請簡要回答下列問題。)1.簡述機器人運動學正運動學和逆運動學的區(qū)別。2.簡述影響機器人自由度數的主要因素。3.簡述選擇機器人應用時需要考慮的主要因素。4.簡述機器人控制系統(tǒng)的基本組成。五、計算題（每題10分，共20分。請按題意進行計算。)1.已知一個二自由度平面旋轉-移動機器人（R-R）的臂長分別為l1和l2，基坐標系x0軸與水平軸重合，關節(jié)1和關節(jié)2的轉角分別為θ1和θ2（以逆時針為正）。求機器人末端執(zhí)行器（末端坐標系原點）在基坐標系下的位置（x,y）和姿態(tài)（用z軸旋轉角ψ表示，若末端執(zhí)行器無繞z軸的旋轉，則ψ=0）。2.一個機器人需要抓取一個物體，其質量為m=5kg，重力加速度為g=9.8m/s2。假設在抓取過程中，機器人手臂需要提供一個向上的支持力Fz=60N，同時在與物體接觸面提供一個向前的力Fx=20N。求作用在機器人末端執(zhí)行器上的作用力F（以Fx,Fy,Fz表示）和力矩M（以Mx,My,Mz表示，假設力作用在末端中心，Mz為繞末端中心垂直于平面的力矩，F(xiàn)x,Fy,Fz均以正方向為正）。六、分析題（每題10分，共20分。請根據題意進行分析。)1.分析一個用于裝配任務的機器人，為什么需要精確的運動學逆解計算？如果逆解計算存在多個解，通常如何選擇？2.分析機器人在使用視覺傳感器進行定位時，可能遇到的主要挑戰(zhàn)有哪些？如何克服這些挑戰(zhàn)？---試卷答案一、單項選擇題1.C2.B3.B4.C5.D6.C7.C8.C9.B10.B二、判斷題1.√2.×3.√4.√5.√6.√7.×8.×9.×10.×三、填空題1.機械結構，控制系統(tǒng)，感知系統(tǒng)2.六3.力，力矩4.運動狀態(tài)，質量分布5.工具坐標系6.物料，工具7.工作任務8.編碼器9.串聯(lián)，并聯(lián)10.示教，編程11.理論，實際12.軌跡，速度13.位姿，軌跡14.承載能力，工作空間15.協(xié)作性四、簡答題1.解析思路：區(qū)分正運動學和逆運動學的核心在于“輸入”和“輸出”的關系以及問題的“唯一性”。*正運動學：給定輸入是關節(jié)變量（角度或位移），輸出是末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)。通常有唯一解。*逆運動學：給定輸入是末端執(zhí)行器的期望位置和姿態(tài)，輸出是達到該狀態(tài)的關節(jié)變量?？赡軣o解、多解或唯一解。答案：正運動學是根據已知的機器人各關節(jié)角度（輸入），求解機器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)（輸出）的數學問題，通常有唯一解。逆運動學是根據已知的機器人末端執(zhí)行器的期望位置和姿態(tài)（輸入），求解使機器人達到該狀態(tài)的各關節(jié)角度（輸出）的數學問題，可能無解、多解或唯一解。2.解析思路：機器人的自由度決定了其運動靈活性。影響自由度數的因素主要來自其結構。*每個獨立的運動關節(jié)通常貢獻一個自由度。*關節(jié)類型（旋轉或移動）直接決定運動模式。*閉環(huán)結構（如某些并聯(lián)機器人或連桿共享的關節(jié)）會減少有效自由度。答案：機器人的自由度數取決于其結構中獨立運動關節(jié)的數量。通常，每個關節(jié)（旋轉副或移動副）提供一個自由度。串聯(lián)機器人的自由度數等于其關節(jié)數。并聯(lián)機器人的自由度數則少于其關節(jié)數，因為存在約束關系。此外，關節(jié)的設計（如是否共享運動）也會影響自由度數。3.解析思路：選擇機器人應用需綜合考慮任務需求、環(huán)境條件和成本效益。*任務需求：負載大小、工作范圍、運動速度、精度要求等。*環(huán)境條件：工作空間大小、溫度濕度、粉塵、是否有毒、是否需要防爆、是否需要人機協(xié)作等。*成本效益：購置成本、運行維護成本、編程調試難度、生產效率提升等。答案：選擇機器人應用時需要考慮：任務要求（如負載、速度、精度、工作范圍）；工作環(huán)境（如空間、溫度、濕度、安全性、防爆要求）；成本因素（購置、維護、編程、效率提升）；與現(xiàn)有生產系統(tǒng)的集成兼容性；以及操作和維護的便利性。4.解析思路：機器人控制系統(tǒng)的基本組成應覆蓋從指令輸入到執(zhí)行反饋的完整閉環(huán)。*人機接口：用于輸入指令和監(jiān)控狀態(tài)。*系統(tǒng)主控：通常是PLC或計算機，負責執(zhí)行程序和協(xié)調各部分。*控制算法：實現(xiàn)運動學/動力學控制、軌跡跟蹤等。*驅動系統(tǒng)：執(zhí)行控制指令，驅動電機轉動。*傳感器：檢測位置、速度、力、力矩、姿態(tài)等狀態(tài)，形成反饋。答案：機器人控制系統(tǒng)的基本組成通常包括：人機接口（用于指令輸入和狀態(tài)監(jiān)控）、系統(tǒng)主控制器（如PLC或計算機）、控制算法模塊（實現(xiàn)軌跡規(guī)劃、運動學/動力學控制）、驅動系統(tǒng)（電機及驅動器）和傳感器系統(tǒng)（用于檢測位置、速度、力、力矩等并提供反饋）。5.解析思路：計算題（1）需要運用旋轉-移動機器人的正運動學公式。計算題（2）需要根據牛頓第二定律或平衡方程計算作用力和力矩。答案：1.x=l1*cos(θ1)+l2*cos(θ1+θ2)y=l1*sin(θ1)+l2*sin(θ1+θ2)ψ=θ1+θ2(假設末端執(zhí)行器自身無繞z軸旋轉)2.作用力F=(Fx,Fy,Fz)=(20N,0N,60N)重力G=(0,0,-m*g)=(0,0,-5kg*9.8m/s2)=(0,0,-49N)支持力F_support=(0,0,Fz)=(0,0,60N)手臂提供的凈垂直力平衡：F_support+G+F_grasp=0(假設抓取力F_grasp方向未明確，這里只考慮力和力矩計算)F_grasp=-F_support-G=(0,0,-60N-(-49N))=(0,0,-11N)(此結果說明僅靠60N支持力無法平衡5kg物體的重力，需額外提供11N向上的力)力矩M=[Mx,My,Mz](假設作用點在末端中心)Mx=r_x*Fz-r_y*F_support_z=0*60-0*60=0My=r_y*F_support_x-r_x*F_support_y=0*20-0*0=0Mz=r_x*F_support_y-r_y*F_support_x+r_y*Fz-r_x*F_grasp_z(繞z軸力矩，r_x,r_y為末端中心在x,y軸的坐標，假設為原點則r_x=r_y=0)Mz=0*0-0*20+0*60-0*(-11)=0修正：如果力作用在末端中心，且Fx,Fz已知，F(xiàn)y未知，Mz為繞中心垂直于平面的力矩，通常指合力產生的力矩。合力R=F+G=(20,0,60-49)=(20,0,11)N。力矩M=r×R。假設力作用在x-z平面內，即y=0，末端中心在原點(0,0,0)，則r=(rx,0,rz)。M=(rx,0,rz)×(20,0,11)=(0,rx*11-rz*20,0)。若假設力作用點在x軸上，rx≠0,rz=0，則M=(0,0,-20*rx)。若假設力作用點在z軸上，rx=0,rz≠0，則M=(0,20*rz,0)。題目未明確作用點，按標準計算合力矩，M=R=(20,0,11)N。但題目要M，且末端中心在原點，Mz為繞z軸力矩，通常指由x,y分量產生的力矩。Mz=x*Fy-y*Fx=0*0-0*20=0。如果理解為合力R=(20,0,11)對原點的總力矩向量，則為(0,11*0-0*20,0*0-0*20)=(0,0,0)。結論：按標準力矩定義，M=(20,0,11)N。若特指繞Z軸的純力矩，且作用點在原點，則為0。更合理的解釋是計算合力R，M=R。最終答案按合力計算：M=(20,0,11)N。再審題，力矩Mz是繞末端中心垂直于平面的力矩，由Fx和Fy產生，Mz=x*Fy-y*Fx。作用點在原點，x=0,y=0，所以Mz=0*0-0*20=0。此題計算有歧義，標準解法計算合力M=R=(20,0,11)N，但若特指繞Z軸力矩Mz，則作用點在原點時為0。（注：計算題部分根據標準公式推導，但力矩計算部分存在對題目“力矩M（以Mx,My,Mz表示）”具體含義的解讀空間，提供兩種可能的計算結果和思路。）6.解析思路：分析題考察逆運動學的重要性及多解選擇。*裝配任務需要精確控制：將手爪放置在工件準確的x,y,z位置，并使其有精確的姿態(tài)（繞x,y,z軸的旋轉角度），這需要通過逆運動學計算出實現(xiàn)該位置和姿態(tài)所需的各關節(jié)角度。*逆運動學多解：一個位置和姿態(tài)可能對應多個關節(jié)配置（冗余機器人或特定構型）。選擇依據通常是：關節(jié)極限（避免關節(jié)彎曲過度）、速度（選擇中間路徑）、能量消耗（選擇最短路徑）、可達性（選擇最易達到的配置）等。答案：用于裝配任務的機器人需要精確控制末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)，以準確地將零件放置在指定位置并完成裝配動作。這需要根據期望的末端位姿（x,y,z,Rx,Ry,Rz）通過逆運動學計算得到相應的關節(jié)角