2025年高性能制造機(jī)器人技術(shù)真題卷考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的代表字母填在題后的括號內(nèi)）1.在機(jī)器人運動學(xué)逆運動學(xué)求解中，當(dāng)給定末端執(zhí)行器的位姿，若在笛卡爾空間中存在多個解，則在關(guān)節(jié)空間中通常對應(yīng)著（）個解。A.1B.2C.4D.無窮多2.對于需要進(jìn)行快速、高精度直線運動的應(yīng)用，相比傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)配合絲杠傳動，直接使用直線電機(jī)的主要優(yōu)勢在于（）。A.成本更低B.運動行程更大C.運動平穩(wěn)性更好D.控制更簡單3.機(jī)器人控制系統(tǒng)中，用于補(bǔ)償機(jī)器人模型不確定性和外部干擾，使系統(tǒng)輸出跟蹤期望軌跡更精確的控制方法是（）。A.PID控制B.PID控制C.自適應(yīng)控制D.最小二乘法4.在機(jī)器人操作臂的關(guān)節(jié)處安裝編碼器，其主要目的是精確測量（）。A.末端執(zhí)行器位置B.關(guān)節(jié)角速度C.關(guān)節(jié)角位移D.作用在關(guān)節(jié)上的力矩5.能夠同時測量作用在物體表面多個點的力或力矩的傳感器是（）。A.接觸式位移傳感器B.壓力傳感器C.力/力矩傳感器（六軸）D.觸覺傳感器6.在基于機(jī)器視覺的機(jī)器人引導(dǎo)裝配任務(wù)中，通常需要使用（）來識別和定位裝配工位上的零件。A.2D相機(jī)進(jìn)行特征提取B.3D相機(jī)進(jìn)行距離測量C.紅外傳感器進(jìn)行熱成像D.超聲波傳感器進(jìn)行距離探測7.機(jī)器人工作空間指的是機(jī)器人臂端執(zhí)行器能夠到達(dá)的（）。A.符合安全操作要求的區(qū)域B.在特定精度要求下的最大范圍C.三維空間中的所有點集合D.與其他設(shè)備有效協(xié)同的區(qū)域8.以下哪種技術(shù)不屬于機(jī)器人柔順控制范疇？（）A.阻抗控制B.導(dǎo)向控制C.PID位置控制D.摩擦補(bǔ)償控制9.在機(jī)器人與PLC或上位機(jī)進(jìn)行通訊時，常用的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議有（）。A.TCP/IPB.Ethernet/IPC.ModbusTCPD.以上都是10.協(xié)作機(jī)器人（Cobot）與傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人相比，其最突出的特點是（）。A.價格更低廉B.自主導(dǎo)航能力強(qiáng)C.能夠在人機(jī)共享空間內(nèi)安全協(xié)作D.運動速度更快二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填寫在橫線上）1.機(jī)器人的運動學(xué)分析不涉及系統(tǒng)的______和______。2.機(jī)器人動力學(xué)分析的核心目標(biāo)是建立機(jī)器人運動與______之間的關(guān)系模型。3.PID控制器中，P代表______控制，I代表______控制，D代表______控制。4.為了提高機(jī)器人的動態(tài)響應(yīng)速度和精度，需要對機(jī)器人動力學(xué)進(jìn)行______。5.視覺傳感器在機(jī)器人系統(tǒng)中常用于獲取______信息和______信息。6.機(jī)器人本體設(shè)計時，提高結(jié)構(gòu)剛度的常用方法是增加橫截面積、選用______材料或采用______結(jié)構(gòu)。7.機(jī)器人安全防護(hù)等級通常依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)______進(jìn)行劃分。8.機(jī)器人離線編程（OLP）的主要優(yōu)勢在于可以在______狀態(tài)下進(jìn)行編程和仿真，提高編程效率。9.工業(yè)機(jī)器人通常采用______坐標(biāo)系來描述其運動和姿態(tài)。10.機(jī)器學(xué)習(xí)在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，例如可用于______、______等方面。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述雅可比矩陣在機(jī)器人控制中的主要作用。2.簡述影響機(jī)器人定位精度的主要因素。3.簡述協(xié)作機(jī)器人在設(shè)計時需要考慮的主要安全特性。4.簡述機(jī)器人工作站設(shè)計需要考慮的主要因素。四、計算題（每題10分，共30分）1.已知某3自由度機(jī)器人基坐標(biāo)系{0}、第一個關(guān)節(jié)坐標(biāo)系{1}、第二個關(guān)節(jié)坐標(biāo)系{2}的D-H參數(shù)如下表所示（單位：度，m）：|i|θi|di|αi|ai||---|------|------|------|------||0|0|0|90°|0||1|θ1|0|0°|0.5m||2|θ2|0.3m|-90°|0|試用D-H參數(shù)法建立該機(jī)器人的正運動學(xué)方程（即用關(guān)節(jié)變量θ1,θ2表示末端執(zhí)行器位姿的變換矩陣T01,T12,T02）。2.某機(jī)器人控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為G(s)=10/(s(s+2))。試求該系統(tǒng)的阻尼比ζ和自然頻率ωn。（提示：可先將傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)二階系統(tǒng)形式）3.假設(shè)一個機(jī)器人需要沿直線從點A(x1=0,y1=0,z1=0,α1=0,β1=0,γ1=0)移動到點B(x2=1m,y2=1m,z2=0.5m,α2=0,β2=0,γ2=0)。機(jī)器人末端執(zhí)行器在運動過程中始終保持水平姿態(tài)（β1=β2=0,γ1=γ2=0）。忽略奇異位形，請設(shè)計一個簡單的關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃方案（例如，假設(shè)機(jī)器人為2軸平面關(guān)節(jié)機(jī)器人，提供θ1(t)和θ2(t)的函數(shù)形式，并簡要說明設(shè)計思路）。五、分析題（每題15分，共30分）1.比較基于傳統(tǒng)視覺引導(dǎo)和基于機(jī)器視覺的柔順控制方法在機(jī)器人裝配任務(wù)中的應(yīng)用特點、優(yōu)缺點及適用場景。2.分析直線電機(jī)作為高性能機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)相比傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)+絲杠傳動系統(tǒng)的優(yōu)勢，并探討其可能存在的局限性或適用條件。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.C4.C5.C6.A7.C8.C9.D10.C二、填空題1.模型；質(zhì)量2.力矩3.比例；積分；微分4.動態(tài)補(bǔ)償5.空間；幾何6.剛性；桁架7.ISO102188.真實9.基10.路徑規(guī)劃；人機(jī)交互三、簡答題1.解析思路：雅可比矩陣是運動學(xué)正、逆解之間的橋梁。正運動學(xué)給出末端位姿與關(guān)節(jié)變量的關(guān)系，其雅可比矩陣J描述了末端位姿對關(guān)節(jié)變量的敏感度，即關(guān)節(jié)速度對末端速度的影響。在控制中，它用于將末端速度指令轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)速度指令（逆解），或者估算末端速度（正解）。通過J矩陣或其偽逆，可以實現(xiàn)速度控制、軌跡跟蹤、力控制等。2.解析思路：機(jī)器人定位精度受多種因素影響。主要因素包括：機(jī)械部分，如關(guān)節(jié)間隙、齒輪傳動誤差、連桿制造精度、軸系剛性等；傳感部分，如編碼器精度、傳感器標(biāo)定誤差、測量噪聲等；控制部分，如控制算法精度、系統(tǒng)延遲、執(zhí)行器響應(yīng)誤差等；環(huán)境因素，如溫度變化引起的材料變形、振動干擾等。3.解析思路：協(xié)作機(jī)器人的核心是安全人機(jī)協(xié)作。設(shè)計時需考慮的主要安全特性包括：力/力矩限制（限制對人的作用力）、速度限制（限制相對速度）、安全區(qū)域與緩沖區(qū)（物理防護(hù)）、安全監(jiān)控與檢測（碰撞檢測、緊急停止）、人機(jī)交互界面（狀態(tài)顯示、緊急按鈕）、自動斷電功能（安全模式）等。4.解析思路：機(jī)器人工作站設(shè)計是一個系統(tǒng)工程，需綜合考慮多個因素。主要因素包括：任務(wù)需求（精度、速度、負(fù)載、工作范圍）；機(jī)器人本體選型（自由度、性能參數(shù)）；末端執(zhí)行器（夾具）設(shè)計；工作站布局與空間規(guī)劃（避免干涉、優(yōu)化流程）；安全防護(hù)措施（圍欄、光柵、安全地毯）；電氣控制系統(tǒng)（PLC、傳感器、通訊）；人機(jī)交互界面（HMI）；環(huán)境適應(yīng)性（溫濕度、粉塵）；物流輸送銜接等。四、計算題1.解析思路：根據(jù)D-H參數(shù)法，依次建立相鄰坐標(biāo)系間的變換矩陣T_i-1,i，然后通過矩陣乘法連乘得到末端執(zhí)行器相對于基坐標(biāo)系的變換矩陣T_0,6（或T_0,E）。每個變換矩陣T_i-1,i的表達(dá)式為：T_i-1,i=[R_i-1,i|i_i-1,i]*[i_i-1,i|0]=[R_i-1,i|0]*[i_i-1,i|0]=[R_i-1,i|0]*[cos(α_i),-sin(α_i),0,cos(α_i),sin(α_i),d_i]*[1,0,0,0,0,1]=[R_i-1,i|0]*[cos(α_i),0,0,sin(α_i),0,d_i]=[R_i-1,i*cos(α_i),0,0,R_i-1,i*sin(α_i),0,d_i]=[cos(α_i),0,0,sin(α_i),0,d_i]。其中R_i-1,i為旋轉(zhuǎn)矩陣，i_i-1,i為平移向量。根據(jù)各關(guān)節(jié)的θ,d,α值，計算各變換矩陣并依次相乘得到T_0,2，再乘以T_2,E（末端平臺相對于坐標(biāo)系{2}的變換矩陣，若末端平臺固定則通常為單位矩陣）得到最終結(jié)果T_0,E。注意角度單位轉(zhuǎn)換為弧度。（注意：此處為計算過程框架，具體數(shù)值計算需代入θ1,θ2及角度轉(zhuǎn)換后的弧度值進(jìn)行矩陣乘法）T_0,1=[1000][0cosθ1sinθ10][0010][0001]=[1000][0cosθ1sinθ10][0010][0001]T_1,2=[cosθ20-sinθ20][0100][sinθ20cosθ20][0001]=[cosθ20-sinθ20][0100][sinθ20cosθ20][0001]T_0,2=T_0,1*T_1,2=...(進(jìn)行矩陣乘法)T_2,E=[1000][0100][0010][0001](假設(shè)末端平臺固連于{2})=IT_0,E=T_0,2*T_2,E=T_0,2最終結(jié)果T_0,E=[T11T12T13T14;T21T22T23T24;T31T32T33T34;T41T42T43T44](需具體計算得到數(shù)值)2.解析思路：將傳遞函數(shù)G(s)=10/(s(s+2))寫成標(biāo)準(zhǔn)二階系統(tǒng)形式G(s)=K/(s^2+2ζω_ns+ω_n^2)。比較分子分母系數(shù)，K=10。分母中，ω_n^2=2，故ω_n=sqrt(2)rad/s。分母中s的一次項系數(shù)為2ζω_n=2。將ω_n代入，得到2ζ*sqrt(2)=2，解得ζ=1/sqrt(2)=sqrt(2)/2=√2/2。3.解析思路：由于機(jī)器人末端始終保持水平姿態(tài)（β=γ=0），且沿直線從A到B移動，可以將問題簡化為二維平面問題（假設(shè)機(jī)器人為2軸平面關(guān)節(jié)機(jī)器人，關(guān)節(jié)變量為θ1,θ2）。需要設(shè)計θ1(t)和θ2(t)的軌跡。一個簡單的方案是采用線性插值或多項式插值（如三次樣條）來規(guī)劃θ1(t)和θ2(t)隨時間變化的關(guān)系。例如，假設(shè)總運動時間為T，t∈[0,T]。θ1(t)可以線性插值：θ1(t)=(θ1_B-θ1_A)*(t/T)+θ1_A。θ2(t)也可以線性插值：θ2(t)=(θ2_B-θ2_A)*(t/T)+θ2_A。其中θ1_A,θ1_B,θ2_A,θ2_B是機(jī)器人達(dá)到點B時對應(yīng)的θ1和θ2關(guān)節(jié)角。設(shè)計思路簡述：首先根據(jù)點A、B的笛卡爾坐標(biāo)和末端水平姿態(tài)，反解出對應(yīng)的θ1_A,θ1_B,θ2_A,θ2_B。然后選擇合適的軌跡函數(shù)形式（如三角函數(shù)、多項式等）對θ1和θ2進(jìn)行插值，確保關(guān)節(jié)空間的連續(xù)性和平滑性，同時滿足可能的奇異位形規(guī)避要求（此處簡化未考慮）。最后得到時間t與關(guān)節(jié)角θ1(t),θ2(t)的函數(shù)關(guān)系。五、分析題1.解析思路：*傳統(tǒng)視覺引導(dǎo)：通常指視覺系統(tǒng)只提供位置信息（如坐標(biāo)偏移），機(jī)器人控制器根據(jù)此信息進(jìn)行簡單的PID補(bǔ)償。特點：結(jié)構(gòu)相對簡單，成本較低。優(yōu)點：實現(xiàn)簡單。缺點：精度有限，抗干擾能力差，無法處理復(fù)雜的裝配關(guān)系，通常需要剛性約束。適用場景：對精度要求不高，裝配關(guān)系簡單的引導(dǎo)任務(wù)。*基于機(jī)器視覺的柔順控制：視覺系統(tǒng)提供豐富的環(huán)境信息和力信息（通過力/力覺傳感器），機(jī)器人控制器不僅能控制位置，還能控制速度、力，實現(xiàn)與環(huán)境的柔性交互。特點：能夠適應(yīng)環(huán)境變化，實現(xiàn)更精密的裝配。優(yōu)點：精度高，柔順性好，適應(yīng)性強(qiáng)，可進(jìn)行在線檢測和引導(dǎo)。缺點：系統(tǒng)復(fù)雜度高，成本高，對環(huán)境光照要求高，需要復(fù)雜的算法設(shè)計。適用場景：精密裝配、質(zhì)量檢測、與柔性體交互、人機(jī)協(xié)作裝配等復(fù)雜任務(wù)。*比較：關(guān)鍵區(qū)別在于是否利用力信息進(jìn)行控制以及是否具備適應(yīng)環(huán)境的能力。柔順控制是基于視覺（及力覺）實現(xiàn)的高級交互方式，而傳統(tǒng)視覺引導(dǎo)只是利用視覺提供位置修正。柔順控制能顯著提升機(jī)器人在裝配等任務(wù)中的性能和適應(yīng)性。2.解析思路：*優(yōu)勢分析：*高速度：直線電機(jī)無中間傳動環(huán)節(jié)，直接產(chǎn)生直線運動，加速度和最高速度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)絲杠系統(tǒng)。*高精度：沒有絲杠螺母的回程間隙和嚙合誤差，傳動精度高，可達(dá)微米級。*高