全國(guó)青少年機(jī)器人技術(shù)等級(jí)考試?yán)碚摼C合試卷及答案一、單項(xiàng)選擇題（共20題，每題2分，共40分）1.以下哪種機(jī)械結(jié)構(gòu)常用于將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)？A.齒輪傳動(dòng)B.連桿機(jī)構(gòu)C.絲杠螺母副D.皮帶傳動(dòng)2.光敏電阻的阻值會(huì)隨以下哪種因素變化而改變？A.溫度B.光照強(qiáng)度C.壓力D.濕度3.在Arduino編程中，若要讓LED燈以1秒為周期閃爍，應(yīng)使用以下哪組函數(shù)？A.digitalWrite(LED,HIGH);delay(500);digitalWrite(LED,LOW);delay(500);B.digitalWrite(LED,HIGH);delay(1000);digitalWrite(LED,LOW);delay(1000);C.analogWrite(LED,255);delay(500);analogWrite(LED,0);delay(500);D.pinMode(LED,OUTPUT);delay(1000);pinMode(LED,INPUT);delay(1000);4.以下哪種傳感器可以檢測(cè)障礙物的距離？A.紅外接近傳感器B.溫度傳感器C.聲音傳感器D.加速度傳感器5.機(jī)器人的“自由度”通常指的是：A.機(jī)器人能夠移動(dòng)的方向數(shù)量B.機(jī)器人關(guān)節(jié)的可旋轉(zhuǎn)角度范圍C.機(jī)器人同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)的能力D.機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)中獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的軸數(shù)6.齒輪傳動(dòng)中，若主動(dòng)輪齒數(shù)為20，從動(dòng)輪齒數(shù)為40，則傳動(dòng)比為：A.0.5B.2C.1D.47.以下哪種電機(jī)需要通過(guò)脈沖信號(hào)控制旋轉(zhuǎn)角度？A.直流電機(jī)B.伺服電機(jī)C.步進(jìn)電機(jī)D.無(wú)刷電機(jī)8.在搭建機(jī)器人底盤時(shí)，為了提高行駛穩(wěn)定性，通常優(yōu)先選擇：A.兩輪差速結(jié)構(gòu)B.三輪結(jié)構(gòu)（兩驅(qū)動(dòng)輪+一從動(dòng)輪）C.四輪對(duì)稱結(jié)構(gòu)（四驅(qū)動(dòng)輪）D.獨(dú)輪平衡結(jié)構(gòu)9.以下哪項(xiàng)不是機(jī)器人三定律的內(nèi)容？A.機(jī)器人不得傷害人類，或因不作為使人類受到傷害B.機(jī)器人必須服從人類的命令，除非該命令與第一定律沖突C.機(jī)器人應(yīng)保護(hù)自身安全，只要不與第一、第二定律沖突D.機(jī)器人應(yīng)具備自主學(xué)習(xí)能力，以更好服務(wù)人類10.若要檢測(cè)機(jī)器人是否傾斜，應(yīng)選擇以下哪種傳感器？A.陀螺儀B.超聲波傳感器C.顏色傳感器D.氣壓傳感器11.在電路中，電阻的主要作用是：A.儲(chǔ)存電能B.限制電流大小C.放大信號(hào)D.穩(wěn)定電壓12.以下哪種編程結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)“當(dāng)條件滿足時(shí)重復(fù)執(zhí)行某段代碼”？A.順序結(jié)構(gòu)B.分支結(jié)構(gòu)（if語(yǔ)句）C.循環(huán)結(jié)構(gòu)（while語(yǔ)句）D.函數(shù)調(diào)用13.機(jī)械臂的“工作空間”指的是：A.機(jī)械臂能觸及的所有點(diǎn)的集合B.機(jī)械臂存放的物理空間C.機(jī)械臂控制器的內(nèi)存空間D.機(jī)械臂傳感器的檢測(cè)范圍14.以下哪種傳動(dòng)方式傳動(dòng)效率最高？A.皮帶傳動(dòng)B.齒輪傳動(dòng)C.鏈傳動(dòng)D.蝸桿傳動(dòng)15.光敏二極管與光敏電阻的主要區(qū)別在于：A.光敏二極管對(duì)光照更敏感B.光敏二極管是單向?qū)щ姷陌雽?dǎo)體器件C.光敏電阻響應(yīng)速度更快D.光敏電阻只能檢測(cè)特定波長(zhǎng)的光16.在Arduino中，A0引腳的功能是：A.數(shù)字輸入/輸出B.模擬輸入C.電源輸出D.串口通信17.以下哪種結(jié)構(gòu)屬于“不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)”？A.三角形框架B.正方形框架（無(wú)斜撐）C.梯形框架（底邊固定）D.六邊形框架（各邊等長(zhǎng)）18.直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與以下哪個(gè)參數(shù)直接相關(guān)？A.工作電壓B.線圈匝數(shù)C.磁極數(shù)量D.外殼材質(zhì)19.若要讓機(jī)器人識(shí)別語(yǔ)音指令，需要用到：A.麥克風(fēng)+語(yǔ)音識(shí)別模塊B.攝像頭+圖像識(shí)別模塊C.溫濕度傳感器+數(shù)據(jù)分析D.加速度傳感器+姿態(tài)檢測(cè)20.以下哪種材料不適合用于機(jī)器人結(jié)構(gòu)件的制作？A.鋁合金B(yǎng).工程塑料（如ABS）C.泡沫板D.碳纖維二、多項(xiàng)選擇題（共10題，每題3分，共30分，少選得1分，錯(cuò)選不得分）21.以下屬于機(jī)器人執(zhí)行器的有：A.直流電機(jī)B.超聲波傳感器C.舵機(jī)D.繼電器22.齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)包括：A.傳動(dòng)比準(zhǔn)確B.可實(shí)現(xiàn)大距離傳動(dòng)C.傳動(dòng)效率高D.需要定期潤(rùn)滑23.在Arduino編程中，setup()函數(shù)的作用是：A.初始化引腳模式B.循環(huán)執(zhí)行主要代碼C.設(shè)置串口通信波特率D.定義全局變量24.以下哪些傳感器屬于數(shù)字傳感器？A.紅外避障傳感器（輸出高/低電平）B.溫度傳感器DS18B20（單總線協(xié)議）C.光敏電阻（需接AD轉(zhuǎn)換）D.按鈕開關(guān)（按下時(shí)閉合）25.機(jī)械結(jié)構(gòu)中，“連桿機(jī)構(gòu)”的常見應(yīng)用包括：A.機(jī)器人手臂的關(guān)節(jié)連接B.汽車雨刮器的擺動(dòng)C.鐘表的齒輪傳動(dòng)D.折疊雨傘的開合26.以下哪些措施可以提高機(jī)器人的避障能力？A.增加超聲波傳感器的數(shù)量（如前后左右各裝一個(gè)）B.降低機(jī)器人移動(dòng)速度C.使用多傳感器融合（如紅外+超聲波）D.增大機(jī)器人底盤高度27.關(guān)于電池的使用，正確的做法是：A.鋰電池長(zhǎng)期不用時(shí)應(yīng)充至50%電量存放B.不同容量的電池可以串聯(lián)使用C.鎳氫電池充電時(shí)需使用專用充電器D.電池正負(fù)極可以直接短接測(cè)試電量28.以下屬于“開源硬件”的有：A.Arduino主板B.樹莓派（RaspberryPi）C.樂(lè)高EV3控制器D.大疆RoboMaster開發(fā)板29.機(jī)器人路徑規(guī)劃的常用算法包括：A.A算法B.模糊控制C.遺傳算法D.PID控制30.以下哪些因素會(huì)影響電機(jī)的扭矩輸出？A.供電電壓B.電機(jī)的減速比（若帶減速器）C.負(fù)載大小D.環(huán)境溫度三、判斷題（共10題，每題1分，共10分。正確填“√”，錯(cuò)誤填“×”）31.所有傳感器的輸出信號(hào)都是模擬量。（）32.齒輪傳動(dòng)中，從動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)方向一定與主動(dòng)輪相反。（）33.在Arduino中，digitalWrite()函數(shù)只能用于數(shù)字引腳。（）34.超聲波傳感器通過(guò)發(fā)射和接收次聲波來(lái)檢測(cè)距離。（）35.三角形結(jié)構(gòu)比四邊形結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，因?yàn)槿切尉哂泄潭ǖ男螤?。（?6.伺服電機(jī)可以精確控制旋轉(zhuǎn)角度，通常用于機(jī)器人關(guān)節(jié)。（）37.電路中的“地”（GND）是指與大地直接連接的點(diǎn)。（）38.編程時(shí)，循環(huán)結(jié)構(gòu)（如for循環(huán)）可以完全替代順序結(jié)構(gòu)。（）39.無(wú)刷電機(jī)比有刷電機(jī)壽命更長(zhǎng)，因?yàn)樗鼪](méi)有電刷磨損問(wèn)題。（）40.機(jī)器人的“自主導(dǎo)航”需要結(jié)合定位、地圖構(gòu)建和路徑規(guī)劃技術(shù)。（）四、簡(jiǎn)答題（共5題，每題5分，共25分）41.簡(jiǎn)述伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的主要區(qū)別。42.超聲波傳感器的工作原理是什么？請(qǐng)寫出其距離計(jì)算公式（假設(shè)聲速為340m/s）。43.什么是“PID控制”？在機(jī)器人控制中，P、I、D三個(gè)參數(shù)分別起什么作用？44.搭建機(jī)器人時(shí)，為什么需要考慮“重心平衡”？請(qǐng)舉例說(shuō)明重心過(guò)高可能導(dǎo)致的問(wèn)題。45.請(qǐng)列舉至少三種常見的機(jī)器人傳感器，并分別說(shuō)明其檢測(cè)的物理量。五、綜合應(yīng)用題（共2題，每題10分，共20分）46.設(shè)計(jì)一個(gè)“智能避障小車”，要求：（1）選擇合適的傳感器類型及數(shù)量；（2）畫出簡(jiǎn)單的電路連接示意圖（可用文字描述）；（3）編寫Arduino核心程序邏輯（偽代碼或簡(jiǎn)化代碼）。47.分析下圖所示的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)（注：假設(shè)為四自由度機(jī)械臂，包含底座旋轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕旋轉(zhuǎn)四個(gè)關(guān)節(jié)），回答以下問(wèn)題：（1）每個(gè)關(guān)節(jié)分別由哪種執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)（如舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等）？（2）若要讓機(jī)械臂從初始位置（所有關(guān)節(jié)角度為0°）移動(dòng)到目標(biāo)位置（底座旋轉(zhuǎn)30°，大臂抬起45°，小臂抬起30°，手腕旋轉(zhuǎn)90°），需要如何編寫控制程序？（需說(shuō)明控制邏輯）答案及解析一、單項(xiàng)選擇題1.C（絲杠螺母副通過(guò)旋轉(zhuǎn)絲杠使螺母做直線運(yùn)動(dòng)）2.B（光敏電阻的阻值隨光照強(qiáng)度增加而減?。?.A（周期1秒即亮0.5秒、滅0.5秒，delay(500)對(duì)應(yīng)500毫秒）4.A（紅外接近傳感器通過(guò)反射檢測(cè)障礙物距離）5.D（自由度指獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的軸數(shù)，如機(jī)械臂的每個(gè)關(guān)節(jié)為一個(gè)自由度）6.A（傳動(dòng)比=從動(dòng)輪齒數(shù)/主動(dòng)輪齒數(shù)=40/20=2，但通常傳動(dòng)比定義為主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速/從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速=2，此處題目問(wèn)“傳動(dòng)比”，若指轉(zhuǎn)速比則為2，但若指齒數(shù)比則為0.5，需根據(jù)教材定義。本題按常見定義“主動(dòng)輪齒數(shù)/從動(dòng)輪齒數(shù)”為0.5）7.C（步進(jìn)電機(jī)通過(guò)脈沖信號(hào)控制角度，每接收一個(gè)脈沖轉(zhuǎn)固定步距角）8.C（四輪對(duì)稱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更高，三輪可能因重心偏移側(cè)翻）9.D（機(jī)器人三定律無(wú)自主學(xué)習(xí)要求）10.A（陀螺儀檢測(cè)角速度，可計(jì)算傾斜角度）11.B（電阻的主要作用是限流或分壓）12.C（while循環(huán)在條件滿足時(shí)重復(fù)執(zhí)行）13.A（工作空間是機(jī)械臂末端能到達(dá)的所有點(diǎn)的集合）14.B（齒輪傳動(dòng)效率約95%98%，高于皮帶、鏈傳動(dòng)）15.B（光敏二極管是半導(dǎo)體器件，具有單向?qū)щ娦?，光敏電阻是電阻型器件?6.B（A0是模擬輸入引腳，用于讀取模擬信號(hào)）17.B（正方形框架無(wú)斜撐時(shí)易變形，屬于不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)）18.A（直流電機(jī)轉(zhuǎn)速與電壓正相關(guān)，電壓越高轉(zhuǎn)速越快）19.A（語(yǔ)音識(shí)別需要麥克風(fēng)采集聲音，結(jié)合模塊處理）20.C（泡沫板強(qiáng)度低，易變形，不適合結(jié)構(gòu)件）二、多項(xiàng)選擇題21.ACD（執(zhí)行器是輸出裝置，傳感器是輸入裝置，B為傳感器）22.ACD（齒輪傳動(dòng)適合短距離，皮帶/鏈傳動(dòng)可長(zhǎng)距離）23.AC（setup()用于初始化，loop()用于循環(huán)執(zhí)行，全局變量在函數(shù)外定義）24.ABD（數(shù)字傳感器輸出數(shù)字信號(hào)，光敏電阻需AD轉(zhuǎn)換為模擬量）25.ABD（連桿機(jī)構(gòu)用于擺動(dòng)、折疊等，齒輪傳動(dòng)屬于齒輪機(jī)構(gòu)）26.AC（多傳感器融合和增加傳感器數(shù)量可提升避障可靠性）27.AC（不同容量電池串聯(lián)會(huì)導(dǎo)致過(guò)充/過(guò)放，電池短接會(huì)損壞）28.ABD（樂(lè)高EV3控制器為閉源，其他為開源）29.AC（A算法和遺傳算法用于路徑規(guī)劃，模糊控制和PID用于控制）30.AB（扭矩與電壓、減速比正相關(guān)，負(fù)載影響實(shí)際輸出扭矩但非決定因素）三、判斷題31.×（如按鈕、紅外避障傳感器輸出數(shù)字量）32.×（同方向傳動(dòng)可通過(guò)惰輪實(shí)現(xiàn)，如自行車前鏈輪與后鏈輪通過(guò)鏈條傳動(dòng)方向相同）33.√（digitalWrite()僅適用于數(shù)字引腳，模擬引腳需用analogWrite()）34.×（超聲波傳感器使用超聲波（>20kHz），次聲波<20Hz）35.√（三角形三邊固定后形狀唯一，四邊形可變形）36.√（伺服電機(jī)通過(guò)PWM信號(hào)控制角度，精度高）37.×（電路中的“地”是參考電位點(diǎn)，不一定與大地連接）38.×（順序結(jié)構(gòu)是基礎(chǔ)，循環(huán)無(wú)法完全替代）39.√（無(wú)刷電機(jī)通過(guò)電子換向，無(wú)電刷磨損）40.√（自主導(dǎo)航需定位（如GPS）、建圖（如SLAM）、規(guī)劃（如A））四、簡(jiǎn)答題41.主要區(qū)別：控制方式：伺服電機(jī)通過(guò)PWM信號(hào)（占空比）控制角度；步進(jìn)電機(jī)通過(guò)脈沖信號(hào)控制步數(shù)。精度：伺服電機(jī)精度較高（通?！?.5°）；步進(jìn)電機(jī)精度由步距角決定（如1.8°/步）。力矩特性：伺服電機(jī)在高速時(shí)力矩下降較?。徊竭M(jìn)電機(jī)高速時(shí)力矩顯著下降。應(yīng)用場(chǎng)景：伺服電機(jī)多用于需要精確角度控制的關(guān)節(jié)；步進(jìn)電機(jī)多用于需要精確位移的場(chǎng)合（如3D打印機(jī)）。42.工作原理：超聲波傳感器發(fā)射超聲波（約40kHz），遇到障礙物反射后被接收端檢測(cè)，通過(guò)計(jì)算發(fā)射與接收的時(shí)間差（t），結(jié)合聲速（v=340m/s）計(jì)算距離（s）。公式：s=v×t/2（因超聲波往返一次，故除以2）。43.PID控制是比例（Proportional）、積分（Integral）、微分（Derivative）控制的組合，用于將系統(tǒng)輸出穩(wěn)定在目標(biāo)值。P（比例）：根據(jù)當(dāng)前誤差大小調(diào)整輸出，誤差越大，調(diào)整幅度越大（易超調(diào)）。I（積分）：消除穩(wěn)態(tài)誤差，累積歷史誤差（積分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)遲緩）。D（微分）：預(yù)測(cè)誤差變化趨勢(shì)，抑制超調(diào)（對(duì)噪聲敏感）。44.原因：重心平衡影響機(jī)器人的穩(wěn)定性，若重心超出支撐面會(huì)導(dǎo)致傾倒。舉例：機(jī)器人底盤過(guò)高且重心偏上時(shí)，轉(zhuǎn)彎或遇到斜坡時(shí)易側(cè)翻；如兩輪平衡車需通過(guò)傳感器調(diào)整重心保持直立。45.示例：超聲波傳感器：檢測(cè)距離（物理量：長(zhǎng)度）。溫度傳感器（如DS18B20）：檢測(cè)環(huán)境溫度（物理量：溫度）。加速度傳感器（如MMA8451）：檢測(cè)加速度（物理量：加速度）。紅外傳感器：檢測(cè)障礙物（物理量：光強(qiáng)/距離）。五、綜合應(yīng)用題46.智能避障小車設(shè)計(jì)：（1）傳感器選擇：2個(gè)超聲波傳感器（前側(cè)左右各一個(gè)，檢測(cè)前方障礙物）或1個(gè)超聲波傳感器+2個(gè)紅外避障傳感器（成本更低）。（2）電路連接：Arduino主板→L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊→直流電機(jī)（2個(gè)）；超聲波傳感器VCC→5V，GND→GND，Trig→D2，Echo→D3；電機(jī)驅(qū)動(dòng)IN1→D4，IN2→D5，IN3→D6，IN4→D7。（3）核心程序邏輯：```arduinoconstintTrig=2;constintEcho=3;constintIN1=4,IN2=5,IN3=6,IN4=7;voidsetup(){pinMode(Trig,OUTPUT);pinMode(Echo,INPUT);pinMode(IN1,OUTPUT);pinMode(IN2,OUTPUT);pinMode(IN3,OUTPUT);pinMode(IN4,OUTPUT);}voidloop(){longduration,distance;digitalWrite(Trig,LOW);delayMicroseconds(2);digitalWrite(Trig,HIGH);delayMicroseconds(10);digitalWrite(Trig,LOW);duration=pulseIn(Echo,HIGH);distance=duration0.034/2;//聲速34cm/ms，計(jì)算cm單位距離if(distance>30){//無(wú)障礙物，直行digitalWrite(IN1,HIGH);digitalWrite(IN2,LOW);digitalWrite(IN3,HIGH);digitalWrite(IN4,LOW);}else{//檢測(cè)到障礙物，右轉(zhuǎn)避障digitalWrite(IN1,HIGH);digitalWrite(IN2,LOW);//左電機(jī)正轉(zhuǎn)digitalWrite(IN3,LOW);digitalWrite(IN4,HIGH);//右電機(jī)反轉(zhuǎn)delay(500);//轉(zhuǎn)向時(shí)間}}```47.機(jī)械臂分析：（1）執(zhí)行器選擇：底座旋轉(zhuǎn)：步進(jìn)電機(jī)（需精確控制旋轉(zhuǎn)角度）或大扭矩舵機(jī)（負(fù)載較低時(shí)）。大臂俯仰：伺服電機(jī)（需精確角度控制，負(fù)載較大時(shí)選金屬齒輪舵機(jī)）。小臂俯仰：伺服電機(jī)（與大臂類似，負(fù)載較?。?。手腕旋轉(zhuǎn)：微型伺服電機(jī)（體積小，精度要求高）。（2）控制程序邏輯：初始化各關(guān)節(jié)舵機(jī)/步進(jìn)電機(jī)的控制引腳，設(shè)置初始角度（0°）。依次控制各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)角度（需考慮運(yùn)動(dòng)順序，避免碰撞）。示例代碼（基于舵機(jī)控制庫(kù)Servo）：```arduino