自考本科機(jī)器人工程專業(yè)2025年機(jī)器人技術(shù)真題試卷（含答案）考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分。下列每小題備選答案中，只有一個(gè)是符合題意的，請(qǐng)將正確選項(xiàng)的代表字母填寫(xiě)在題干后的括號(hào)內(nèi)。)1.機(jī)器人的自由度通常是指（）。A.機(jī)器人可以同時(shí)工作的手?jǐn)?shù)B.機(jī)器人結(jié)構(gòu)相對(duì)于基座具有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)數(shù)C.機(jī)器人完成特定任務(wù)所需的最少移動(dòng)方向數(shù)D.機(jī)器人所能搬運(yùn)物體的最大重量2.在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)中，研究已知各關(guān)節(jié)角求末端執(zhí)行器位姿的問(wèn)題屬于（）。A.正運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題B.逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題C.靜態(tài)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題D.動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題3.下列哪種傳感器主要用于測(cè)量機(jī)器人末端執(zhí)行器與物體接觸時(shí)的力或力矩？（）A.視覺(jué)傳感器B.距離傳感器C.力/力矩傳感器D.位置傳感器4.機(jī)器人控制中，PTP（Point-to-Point）控制通常適用于（）。A.需要連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)的任務(wù)B.需要精確速度控制的任務(wù)C.需要將末端執(zhí)行器從一個(gè)點(diǎn)精確移動(dòng)到另一個(gè)點(diǎn)的任務(wù)D.需要精確姿態(tài)控制的任務(wù)5.機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析中，拉格朗日方程的主要優(yōu)點(diǎn)是（）。A.只適用于簡(jiǎn)單剛體系統(tǒng)B.直接基于牛頓定律推導(dǎo)C.能方便地處理約束條件，形式簡(jiǎn)潔統(tǒng)一D.計(jì)算效率總是最高6.在機(jī)器人系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）的主要特點(diǎn)是（）。A.運(yùn)行速度非?？霣.能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行C.具有高優(yōu)先級(jí)任務(wù)調(diào)度能力，滿足實(shí)時(shí)性要求D.用戶界面友好7.下列哪種機(jī)器人通常用于焊接、噴涂等重復(fù)性工業(yè)任務(wù)？（）A.服務(wù)機(jī)器人B.探索機(jī)器人C.工業(yè)機(jī)器人D.特種機(jī)器人8.機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解的存在性條件是（）。A.機(jī)器人自由度數(shù)小于等于工作空間維數(shù)B.機(jī)器人自由度數(shù)大于等于工作空間維數(shù)C.機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)必須滿足特定幾何關(guān)系D.機(jī)器人關(guān)節(jié)必須使用伺服電機(jī)9.以下哪個(gè)物理量不是描述機(jī)器人末端執(zhí)行器位姿的必要參數(shù)？（）A.位置坐標(biāo)B.朝向角度C.線速度D.尺寸大小10.機(jī)器學(xué)習(xí)中，深度學(xué)習(xí)技術(shù)目前在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用不包括（）。A.自主導(dǎo)航與路徑規(guī)劃B.機(jī)器人抓取操作C.機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制D.機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)二、名詞解釋（每題3分，共15分。請(qǐng)用簡(jiǎn)潔、準(zhǔn)確的語(yǔ)言解釋下列名詞的含義。）1.機(jī)器人工作空間2.機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)3.傳感器標(biāo)定4.軌跡規(guī)劃5.人機(jī)協(xié)作三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分。請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問(wèn)題。）1.簡(jiǎn)述影響機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正運(yùn)動(dòng)學(xué)解數(shù)量的因素。2.簡(jiǎn)述伺服電機(jī)在機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)中的主要作用。3.簡(jiǎn)述機(jī)器人在進(jìn)行抓取操作時(shí)，需要考慮的主要因素。4.簡(jiǎn)述什么是機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。四、計(jì)算題（每題10分，共30分。請(qǐng)根據(jù)題目要求進(jìn)行計(jì)算。）1.已知一個(gè)具有2個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（θ1,θ2）的平面機(jī)器人，基座位于原點(diǎn)，第一個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸沿Z軸，第二個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸沿X軸（在第一關(guān)節(jié)連桿上），連桿長(zhǎng)度分別為a1,a2。末端執(zhí)行器位于（x,y,0）位置。請(qǐng)推導(dǎo)該機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。2.一個(gè)需要沿直線移動(dòng)的機(jī)器人關(guān)節(jié)，其動(dòng)力學(xué)模型可簡(jiǎn)化為M(q)q''+C(q,q')q'+G(q)=τ。其中，M(q)為慣性矩陣（2x2對(duì)角陣，單位N·m·s2），q'為關(guān)節(jié)角速度（rad/s），q''為關(guān)節(jié)角加速度（rad/s2），G(q)為重力項(xiàng)（2x1向量，N·m），τ為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩（2x1向量，N·m）。假設(shè)當(dāng)前關(guān)節(jié)角q=[π/4,π/6]T，關(guān)節(jié)角速度q'=[0.1,0.2]Trad/s，關(guān)節(jié)角加速度q''=[0.05,-0.1]Trad/s2，重力項(xiàng)G(q)=[0.5,-0.3]N·m。請(qǐng)計(jì)算所需的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩τ。3.假設(shè)一個(gè)機(jī)器人需要從點(diǎn)A(1,1,1,0,π/2,0)運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)B(4,4,4,π/4,0,π)（單位為米和弧度），路徑為直線。請(qǐng)簡(jiǎn)要說(shuō)明使用關(guān)節(jié)空間插值和笛卡爾空間插值進(jìn)行軌跡規(guī)劃的主要區(qū)別，并說(shuō)明各自可能遇到的問(wèn)題。五、論述題（每題15分，共30分。請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，深入分析和闡述下列問(wèn)題。）1.論述傳感器在機(jī)器人感知系統(tǒng)中的重要作用，并舉例說(shuō)明不同類型的傳感器如何為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能化提供支持。2.闡述機(jī)器人在人機(jī)協(xié)作場(chǎng)景下的安全性設(shè)計(jì)需要考慮的關(guān)鍵因素，并提出幾種提高人機(jī)協(xié)作安全性的技術(shù)或策略。---試卷答案一、單項(xiàng)選擇題1.B2.A3.C4.C5.C6.C7.C8.C9.D10.D二、名詞解釋1.機(jī)器人工作空間：指機(jī)器人末端執(zhí)行器（或工具中心點(diǎn)TCP）能夠到達(dá)的任一空間點(diǎn)的集合。它分為可達(dá)工作空間（考慮幾何限制）和自由工作空間（考慮環(huán)境限制）。2.機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)：給定機(jī)器人末端執(zhí)行器的期望位姿（位置和姿態(tài)），求解一組關(guān)節(jié)變量，使得機(jī)器人能夠達(dá)到該期望位姿。通常存在多解、無(wú)解或唯一解的情況。3.傳感器標(biāo)定：指確定傳感器輸出信號(hào)與被測(cè)量物理量之間精確對(duì)應(yīng)關(guān)系的過(guò)程。目的是消除傳感器誤差，提高測(cè)量精度，使傳感器讀數(shù)能夠真實(shí)反映被測(cè)狀態(tài)。4.軌跡規(guī)劃：指在機(jī)器人工作空間中為末端執(zhí)行器規(guī)劃一條從初始位姿到目標(biāo)位姿的、滿足特定約束（如避障、平滑性、速度/加速度限制等）的路徑。通常分為關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃和笛卡爾空間軌跡規(guī)劃。5.人機(jī)協(xié)作：指人與機(jī)器人系統(tǒng)在同一物理空間內(nèi)近距離、同時(shí)、協(xié)作地執(zhí)行任務(wù)的模式。強(qiáng)調(diào)人機(jī)交互、共享控制、以及確保協(xié)作過(guò)程的安全。三、簡(jiǎn)答題1.影響機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正運(yùn)動(dòng)學(xué)解數(shù)量的因素：*機(jī)器人自由度數(shù)：自由度數(shù)越多，理論上可能存在的解的數(shù)量越多。*機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)：連桿長(zhǎng)度、關(guān)節(jié)類型等幾何參數(shù)會(huì)影響解的存在性和數(shù)量。*末端執(zhí)行器目標(biāo)位姿：目標(biāo)位置和姿態(tài)的設(shè)定是否在機(jī)器人工作空間內(nèi)，以及具體位置姿態(tài)點(diǎn)與機(jī)器人結(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系，直接決定是否存在解以及解的多少。*逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的形式：不同的機(jī)器人結(jié)構(gòu)其逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解方法不同，可能導(dǎo)致解的解析解或數(shù)值解的復(fù)雜性，影響解的數(shù)量和計(jì)算效率。2.伺服電機(jī)在機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)中的主要作用：*產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩：輸出所需的力矩來(lái)克服負(fù)載，使關(guān)節(jié)產(chǎn)生預(yù)期的運(yùn)動(dòng)。*精確的速度控制：根據(jù)控制信號(hào)精確地控制關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。*精確的位置控制：通過(guò)編碼器等反饋裝置實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)角位置的精確控制，完成精確的運(yùn)動(dòng)定位。*力/力矩反饋：部分伺服系統(tǒng)集成了編碼器或力矩傳感器，可以提供力矩反饋，用于實(shí)現(xiàn)力控或柔順控制。3.機(jī)器人在進(jìn)行抓取操作時(shí)，需要考慮的主要因素：*物體特性：形狀、尺寸、重量、材質(zhì)、表面紋理、是否易碎等。*抓取方式：使用爪式、吸盤(pán)式還是其他形式的末端執(zhí)行器，以及抓取點(diǎn)的選擇。*環(huán)境因素：工作空間中的障礙物、光照條件、粉塵等。*精度要求：抓取定位的精度、姿態(tài)保持的精度。*安全性：避免損壞物體，保證操作人員和設(shè)備的安全。*效率：抓取和釋放的速度。*魯棒性：應(yīng)對(duì)物體或環(huán)境輕微變化的能力。4.什么是機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求：機(jī)器人系統(tǒng)需要在其任務(wù)要求的特定時(shí)間限制內(nèi)完成操作或響應(yīng)。實(shí)時(shí)性要求意味著系統(tǒng)的處理時(shí)間（從接收輸入到產(chǎn)生輸出）必須小于或等于任務(wù)允許的最大延遲。這通常涉及對(duì)外部事件的快速響應(yīng)、對(duì)控制循環(huán)的精確時(shí)間控制，以及確保機(jī)器人運(yùn)動(dòng)或行為及時(shí)更新，以適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境或完成時(shí)間敏感的任務(wù)。四、計(jì)算題1.機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程推導(dǎo)：假設(shè)基座在原點(diǎn)O，第一個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸通過(guò)O點(diǎn)沿Z軸，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為θ1。第一個(gè)連桿末端P1點(diǎn)位于X-Y平面，其坐標(biāo)為(x1,y1,0)。第二個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸通過(guò)P1點(diǎn)沿P1點(diǎn)處的X軸（即沿向量(x1,y1,0)方向），轉(zhuǎn)動(dòng)角度為θ2。末端執(zhí)行器位于P2點(diǎn)，其坐標(biāo)為(x,y,0)。利用旋轉(zhuǎn)矩陣：Rz(θ1)=[[cosθ1,-sinθ1,0],[sinθ1,cosθ1,0],[0,0,1]]Rx(θ2)=[[1,0,0],[0,cosθ2,-sinθ2],[0,sinθ2,cosθ2]]第一個(gè)連桿的長(zhǎng)度為a1，第二個(gè)連桿的長(zhǎng)度為a2。P1點(diǎn)的坐標(biāo)為：P1=Rz(θ1)*[a1,0,0]T=[a1cosθ1,-a1sinθ1,0]TP2點(diǎn)相對(duì)于P1點(diǎn)的坐標(biāo)為：P2_rel=Rx(θ2)*[a2,0,0]T=[a2cosθ2,-a2sinθ2,0]TP2點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)為：P2=P1+P2_rel=[a1cosθ1+a2cosθ2,-a1sinθ1-a2sinθ2,0]T令P2=[x,y,0]T，得到正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程組：x=a1cosθ1+a2cosθ2y=-a1sinθ1-a2sinθ2z=0(此題平面機(jī)器人，z恒為0)由于z=0恒成立，主要求解x,y與θ1,θ2的關(guān)系?？梢酝ㄟ^(guò)三角函數(shù)關(guān)系或數(shù)值方法求解θ1,θ2（逆運(yùn)動(dòng)學(xué)）。2.計(jì)算關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩τ：根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程M(q)q''+C(q,q')+G(q)=τ。給定：M(q)=diag([M11,M12])=diag([1,1])N·m·s2(假設(shè)單位質(zhì)量),C(q,q')=0(假設(shè)無(wú)科氏力/離心力),G(q)=[0.5,-0.3]TN·m,q=[π/4,π/6]Trad,q'=[0.1,0.2]Trad/s,q''=[0.05,-0.1]Trad/s2。代入計(jì)算：τ=M(q)q''+C(q,q')+G(q)τ=diag([1,1])*[0.05,-0.1]T+0+[0.5,-0.3]Tτ=[1*0.05,1*(-0.1)]T+[0.5,-0.3]Tτ=[0.05,-0.1]T+[0.5,-0.3]Tτ=[0.55,-0.4]TN·m所需關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩τ為[0.55,-0.4]N·m。3.關(guān)節(jié)空間插值與笛卡爾空間插值比較：*關(guān)節(jié)空間插值：直接在關(guān)節(jié)空間中插值關(guān)節(jié)角度，例如線性插值θi=(1-t)θi_start+tθi_end，其中t為插值參數(shù)。優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是可能生成不滿足約束條件的奇異點(diǎn)或過(guò)大的關(guān)節(jié)速度/加速度，導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)動(dòng)困難或損壞機(jī)器人。*笛卡爾空間插值：在笛卡爾空間（末端執(zhí)行器位姿空間）中插值目標(biāo)點(diǎn)，例如線性插值TCP_A=(1-t)TCP_A_start+tTCP_B。優(yōu)點(diǎn)是通常能生成平滑、符合物理直覺(jué)的路徑，更容易保證運(yùn)動(dòng)學(xué)約束。缺點(diǎn)是可能需要復(fù)雜的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解和雅可比矩陣映射，計(jì)算量較大，且可能生成不在工作空間內(nèi)的中間點(diǎn)，需要結(jié)合工作空間邊界處理?？赡苡龅降膯?wèn)題：關(guān)節(jié)空間插值可能產(chǎn)生奇異點(diǎn)；笛卡爾空間插值可能需要精確且快速的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解算，且中間點(diǎn)需在工作空間內(nèi)。五、論述題1.傳感器在機(jī)器人感知系統(tǒng)中的重要作用及舉例：傳感器是機(jī)器人感知世界、實(shí)現(xiàn)智能化的基礎(chǔ)。它們賦予機(jī)器人觀察、測(cè)量環(huán)境信息的能力，使其能夠理解環(huán)境、做出決策并執(zhí)行任務(wù)。*視覺(jué)傳感器（如攝像頭）：提供豐富的環(huán)境幾何信息（距離、形狀、位置）和語(yǔ)義信息（物體識(shí)別、場(chǎng)景理解），用于導(dǎo)航（SLAM）、避障、抓取定位與識(shí)別、人機(jī)交互等。例如，深度相機(jī)（如RGB-D相機(jī)）可以直接獲取環(huán)境的深度圖，幫助機(jī)器人精確測(cè)量物體位置和距離；工業(yè)相機(jī)用于精密裝配中的零件識(shí)別和定位。*力/力矩傳感器：測(cè)量機(jī)器人末端執(zhí)行器與物體接觸時(shí)施加的力或力矩，用于實(shí)現(xiàn)柔順控制（如抓取易碎品時(shí)控制抓取力）、力控操作（如精密裝配中的力反饋）、人機(jī)協(xié)作安全性檢測(cè)（檢測(cè)觸碰并停止）等。例如，協(xié)作機(jī)器人常配備力傳感器以實(shí)現(xiàn)安全的人機(jī)協(xié)作。*觸覺(jué)傳感器：模擬人類皮膚的感覺(jué)，提供接觸、擠壓、滑移等信息，用于更精細(xì)的物體抓?。ㄅ袛嘧シ€(wěn)程度）、表面紋理識(shí)別、盲操作等。例如，柔性觸覺(jué)傳感器陣列可以感知物體表面的形狀和紋理。*接近傳感器：用于檢測(cè)物體是否在附近，但不需要精確測(cè)量距離，可用于初步探測(cè)和觸發(fā)后續(xù)動(dòng)作。*其他傳感器：如編碼器（測(cè)量關(guān)節(jié)角度/速度）、陀螺儀/加速度計(jì)（測(cè)量姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)）、超聲波/激光雷達(dá)（測(cè)距和建圖）等，分別提供機(jī)器人自身的狀態(tài)信息（位置、姿態(tài)、速度）和局部環(huán)境信息。通過(guò)融合多種傳感器的信息，機(jī)器人可以獲得更全面、更準(zhǔn)確的環(huán)境模型和自身狀態(tài)估計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的智能行為，如自主導(dǎo)航、復(fù)雜環(huán)境交互和智能決策。2.機(jī)器人在人機(jī)協(xié)作場(chǎng)景下的安全性設(shè)計(jì)因素及策略：人機(jī)協(xié)作場(chǎng)景下，機(jī)器人和人共享工作空間，存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)。安全性設(shè)計(jì)是確保協(xié)作能夠安全、高效進(jìn)行的關(guān)鍵。*關(guān)鍵因素：*物理安全：防止機(jī)器人對(duì)人員造成物理傷害。涉及機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度、加速度、質(zhì)量、慣性、末端執(zhí)行器的剛性等。需要確保即使發(fā)生碰撞，沖擊力也在安全范圍內(nèi)。*控制策略：如何分配控制權(quán)，如何響應(yīng)人的干預(yù)。例如，是否采用共享控制、人主導(dǎo)或機(jī)器人主導(dǎo)模式。*感知與檢測(cè)：機(jī)器人需要準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地檢測(cè)到人的存在、位置和運(yùn)動(dòng)意圖。傳感器（如視覺(jué)、激光雷達(dá)、接近傳感器）的性能和融合算法至關(guān)重要。*風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理：對(duì)協(xié)作任務(wù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，確定可接受的風(fēng)險(xiǎn)水平，并設(shè)計(jì)系統(tǒng)來(lái)限制