2025年大學(xué)《系統(tǒng)科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——機器人與自動化系統(tǒng)的性能評估考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題干后的括號內(nèi)）1.在機器人系統(tǒng)性能評估中，衡量機器人在單位時間內(nèi)能夠移動的距離或完成的工作量通常指的是哪個性能指標？（）A.精度B.速度C.可靠性D.柔性2.對于自動化生產(chǎn)線，衡量系統(tǒng)在單位時間內(nèi)能夠生產(chǎn)出產(chǎn)品數(shù)量的指標是？（）A.生產(chǎn)節(jié)拍B.吞吐量C.在制品數(shù)量D.系統(tǒng)利用率3.以下哪項不屬于機器人動力學(xué)性能的評估內(nèi)容？（）A.運動軌跡跟蹤精度B.驅(qū)動力矩需求C.慣量參數(shù)影響D.工作空間大小4.在評估自動化系統(tǒng)性能時，瓶頸分析的主要目的是？（）A.確定系統(tǒng)的平均響應(yīng)時間B.找出系統(tǒng)中最限制整體輸出的環(huán)節(jié)C.計算系統(tǒng)的總成本D.評估系統(tǒng)的可靠性5.使用仿真軟件對機器人或自動化系統(tǒng)進行性能評估的主要優(yōu)勢之一是？（）A.可以直接得到物理實體的精確測量數(shù)據(jù)B.能夠在真實環(huán)境中測試系統(tǒng)性能C.可以方便地模擬各種理想和極端工況D.仿真結(jié)果完全等同于實際結(jié)果6.衡量機器人或自動化系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)發(fā)生故障的頻率的指標是？（）A.平均故障間隔時間（MTBF）B.故障率C.可維護性D.可靠度7.以下哪個指標更能反映自動化系統(tǒng)適應(yīng)產(chǎn)品或工藝變化的能力？（）A.效率B.精度C.柔性D.成本8.進行機器人系統(tǒng)性能實驗測試時，精確的數(shù)據(jù)采集是保證評估結(jié)果可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)采集的主要內(nèi)容包括？（）A.只記錄機器人的關(guān)節(jié)角度B.只記錄末端執(zhí)行器的位置C.包括機器人運動參數(shù)、負載、能耗等多種數(shù)據(jù)D.采集與性能評估無關(guān)的環(huán)境數(shù)據(jù)9.在評估多關(guān)節(jié)機器人的運動性能時，除了速度和加速度，還需要考慮的因素包括？（）A.運動學(xué)約束B.動力學(xué)約束C.控制算法D.以上所有10.對于需要高精度裝配的自動化任務(wù)，在選擇評估指標時，通常應(yīng)將哪種性能指標放在優(yōu)先位置？（）A.速度B.吞吐量C.定位精度D.可靠性二、簡答題（每小題5分，共25分。請將答案寫在題干后的橫線上）1.簡述機器人系統(tǒng)性能評估中，“精度”和“速度”這兩個指標的含義及其之間的基本關(guān)系。2.簡述自動化生產(chǎn)線性能評估中，“吞吐量”和“生產(chǎn)節(jié)拍”這兩個指標的含義及其關(guān)系。3.簡述進行機器人系統(tǒng)性能實驗測試時，需要進行數(shù)據(jù)預(yù)處理的主要原因。4.簡述什么是自動化系統(tǒng)的瓶頸，并說明識別瓶頸的常用方法之一。5.簡述可靠性指標“平均故障間隔時間（MTBF）”的含義及其在性能評估中的作用。三、計算題（每小題10分，共30分。請將計算過程和結(jié)果寫在題干后的橫線上）1.某工業(yè)機器人執(zhí)行某項任務(wù)，其末端執(zhí)行器沿直線從點A移動到點B。已知點A的坐標為(0,0,0)厘米，點B的坐標為(50,30,20)厘米。假設(shè)機器人勻速運動，運動時間為5秒。請計算：（1）機器人末端執(zhí)行器的直線運動速度（單位：厘米/秒）。（2）若該段運動過程中機器人消耗的能量為150焦耳，請計算此段運動的平均能耗（單位：焦耳/厘米）。2.某自動化裝配線由三個工作站組成，工作站A、B、C的處理時間（包括加工和傳輸準備時間）分別為tA=10秒，tB=15秒，tC=12秒。請計算該裝配線的理論最大吞吐量（單位：件/分鐘），并指出該裝配線的理論生產(chǎn)節(jié)拍是多少秒/件？哪個工作站是瓶頸？3.對一臺機器人進行重復(fù)定位精度測試，連續(xù)測試100次，機器人末端執(zhí)行器目標點坐標為(100,100,100)厘米。實際到達點坐標的平均值為(100.5,99.8,100.2)厘米，標準差為σ=0.5厘米。請計算：（1）機器人末端執(zhí)行器的平均重復(fù)定位誤差。（2）從統(tǒng)計角度看，該機器人重復(fù)定位誤差在1厘米以內(nèi)的概率大約是多少？（假設(shè)誤差近似服從正態(tài)分布）四、分析與應(yīng)用題（每小題15分，共30分。請將答案寫在題干后的橫線上）1.假設(shè)你需要為一款新設(shè)計的桌面型協(xié)作機器人選擇一套性能評估指標體系。請列舉至少五個你認為重要的性能指標，并簡要說明選擇每個指標的理由。2.某汽車制造廠的焊接自動化生產(chǎn)線出現(xiàn)效率瓶頸，導(dǎo)致整體產(chǎn)量下降。請分析可能造成該瓶頸的原因有哪些？并提出至少三種可能的改進措施，并簡要說明每種措施可能如何提升系統(tǒng)性能。---試卷答案一、選擇題1.B2.B3.A4.B5.C6.B7.C8.C9.D10.C二、簡答題1.精度是指機器人實際執(zhí)行軌跡與預(yù)定軌跡之間的符合程度，通常用誤差來衡量。速度是指機器人末端執(zhí)行器或工具中心點（TCP）在單位時間內(nèi)移動的距離或完成的作業(yè)量。兩者通常存在矛盾，提高速度可能導(dǎo)致精度下降，反之亦然。性能評估需要在速度和精度之間根據(jù)應(yīng)用需求進行權(quán)衡。2.吞吐量是指自動化生產(chǎn)線在單位時間內(nèi)能夠生產(chǎn)出的合格產(chǎn)品數(shù)量，衡量系統(tǒng)的整體產(chǎn)出能力。生產(chǎn)節(jié)拍是指生產(chǎn)線上連續(xù)生產(chǎn)兩個相同產(chǎn)品所需要的時間，是系統(tǒng)運行節(jié)奏的體現(xiàn)。兩者的關(guān)系是：生產(chǎn)節(jié)拍是單位時間（通常為分鐘）內(nèi)可以生產(chǎn)產(chǎn)品數(shù)量的倒數(shù)。即：生產(chǎn)節(jié)拍=1/吞吐量（單位：件/分鐘）。3.機器人系統(tǒng)性能實驗測試獲得的數(shù)據(jù)往往包含噪聲、異常值或單位不一致等問題，直接使用這些原始數(shù)據(jù)進行分析可能會得到錯誤或誤導(dǎo)性的結(jié)論。數(shù)據(jù)預(yù)處理的目的在于對原始數(shù)據(jù)進行清洗、轉(zhuǎn)換和規(guī)范化，去除噪聲和異常，統(tǒng)一單位，使數(shù)據(jù)符合分析要求，從而保證后續(xù)性能評估結(jié)果的準確性和可靠性。4.自動化系統(tǒng)的瓶頸是指系統(tǒng)中最慢或最限制資源，導(dǎo)致整個系統(tǒng)輸出能力下降的環(huán)節(jié)。識別瓶頸的常用方法之一是流程分析法，通過分析物料或信息在系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的流動情況，識別出處理時間最長、資源利用率最高或隊列積壓最嚴重的環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)即為瓶頸。5.平均故障間隔時間（MTBF）是指可修復(fù)產(chǎn)品在正常使用條件下，相鄰兩次故障之間的平均工作時間。它是衡量系統(tǒng)可靠性的重要指標，MTBF值越高，表示系統(tǒng)平均無故障運行時間越長，可靠性越好。在性能評估中，MTBF可以用來評估系統(tǒng)的穩(wěn)定性和維護需求，是計算系統(tǒng)可用率的基礎(chǔ)。三、計算題1.（1）速度=總距離/時間=|(50-0,30-0,20-0)|/5=sqrt(50^2+30^2+20^2)/5=sqrt(2500+900+400)/5=sqrt(3800)/5≈30.98/5≈6.20厘米/秒（2）平均能耗=總能耗/總距離=150焦耳/3800厘米≈0.0395焦耳/厘米2.理論最大吞吐量=1/最大生產(chǎn)節(jié)拍=1/max(tA,tB,tC)=1/15秒/件=60/15件/分鐘=4件/分鐘。理論生產(chǎn)節(jié)拍為15秒/件。工作站B的處理時間最長（15秒），是瓶頸。3.（1）平均重復(fù)定位誤差=|平均值-目標值|=|(100.5,99.8,100.2)-(100,100,100)|=sqrt((100.5-100)^2+(99.8-100)^2+(100.2-100)^2)=sqrt(0.5^2+(-0.2)^2+0.2^2)=sqrt(0.25+0.04+0.04)=sqrt(0.33)≈0.574厘米（2）對于正態(tài)分布，約68%的數(shù)據(jù)在μ±σ范圍內(nèi)，約95%在μ±2σ范圍內(nèi)，約99.7%在μ±3σ范圍內(nèi)。誤差在1厘米（約1.78σ）以內(nèi)的概率大約是50%*(1-2*P(0<Z<1.78))。查標準正態(tài)分布表或使用計算器，P(Z<1.78)≈0.962。所以P(0<Z<1.78)≈0.962-0.5=0.462。概率≈0.5*(1-2*0.462)=0.5*(1-0.924)=0.5*0.076=0.038。更簡單的近似是，由于1厘米約等于1.78倍標準差，概率落在μ±σ（約68%）之外，約為(1-0.68)/2=0.16?；蛘哒J為約99.7%落在μ±3σ內(nèi)，1厘米約1.78σ，概率約為(99.7%/2)/100%≈0.498/100%≈0.5%。最合理的近似是約50%。四、分析與應(yīng)用題1.為桌面型協(xié)作機器人選擇性能評估指標體系，可包括：*工作空間：衡量機器人能夠到達的有效范圍，對應(yīng)用場景適應(yīng)性重要。理由：決定了機器人能執(zhí)行的任務(wù)類型和范圍。*負載能力：指機器人能安全搬運的最大重量。理由：直接影響機器人能處理物料的大小和類型，是關(guān)鍵物理性能。*重復(fù)定位精度：指機器人重復(fù)到達同一目標點的準確性。理由：對于需要精確定位的任務(wù)（如裝配、檢測）至關(guān)重要。*最大速度/加速度：指機器人運動能達到的最高速率和加減速能力。理由：影響機器人完成任務(wù)的效率。*靈活性/自由度：指機器人手臂的結(jié)構(gòu)特點（如自由度數(shù)量）及其運動能力。理由：影響機器人避開障礙物和到達復(fù)雜位置的能力。*人機交互性能（如安全速度、力控能力）：對于協(xié)作機器人尤為重要。理由：直接關(guān)系到人機協(xié)同工作的安全性和效率。2.汽車制造廠焊接自動化生產(chǎn)線效率瓶頸的可能原因及改進措施：*原因：某個或某幾個焊接工站的處理時間過長或不穩(wěn)定；工站間物料/工件傳輸延遲或效率低；控制系統(tǒng)調(diào)度不合理；設(shè)備故障或維護頻率高；焊接參數(shù)優(yōu)化不足導(dǎo)致效率低。*改進措施1：優(yōu)化焊接工藝參數(shù)（如電流、電壓、速度），提高單次焊接效率，縮短工站處理時間。理由：從核心作業(yè)環(huán)節(jié)提升效率。*改進措施2：增加瓶頸工站的處理能力，如增加并行焊接單元、升級設(shè)備或改進夾具以提高單工位產(chǎn)出。理由：直接提升系統(tǒng)最大產(chǎn)出能力。*改