2025年機器人三級試題及答案1.單項選擇題（每題2分，共20分）1.1在機器人運動學中，DenavitHartenberg（DH）參數(shù)αi的物理意義是A.連桿長度B.連桿扭角C.連桿偏距D.關(guān)節(jié)角答案：B1.2某六自由度串聯(lián)機器人末端執(zhí)行器速度雅可比矩陣J為6×6方陣，若某時刻出現(xiàn)奇異位形，則A.det(J)=0B.det(J)=1C.rank(J)=6D.J的列向量線性無關(guān)答案：A1.3下列關(guān)于ROS2節(jié)點生命周期的描述，正確的是A.節(jié)點啟動后默認進入inactive狀態(tài)B.節(jié)點狀態(tài)機中，從activating可直接跳轉(zhuǎn)到shutdownC.節(jié)點狀態(tài)回調(diào)函數(shù)必須返回成功才能繼續(xù)遷移D.節(jié)點狀態(tài)機由master節(jié)點統(tǒng)一維護答案：C1.4在PID控制器中引入微分先行（DerivativeonMeasurement）的主要目的是A.抑制設(shè)定值突變導(dǎo)致微分沖擊B.提高系統(tǒng)型別C.消除穩(wěn)態(tài)誤差D.降低積分飽和答案：A1.5使用RGBD相機進行三維重建時，下列哪種誤差來源與深度測量原理本身無關(guān)A.紅外散斑相互干擾B.多徑反射C.彩色圖像色差D.深度邊緣飛行像素（flyingpixel）答案：C1.6若某移動機器人采用兩輪差分驅(qū)動，輪距L=0.4m，兩輪速度分別為vL=0.3m/s，vR=0.5m/s，則機器人角速度ω為A.0.2rad/sB.0.25rad/sC.0.5rad/sD.1.0rad/s答案：B1.7在MoveIt中，用于碰撞檢測的默認庫是A.ODEB.BulletC.FCLD.PhysX答案：C1.8關(guān)于機器人諧波減速器，下列說法錯誤的是A.柔輪齒數(shù)比剛輪少2齒B.傳動誤差主要來源于波發(fā)生器輪廓誤差C.空程回差理論上為零D.傳動比等于剛輪齒數(shù)除以柔輪齒數(shù)答案：D1.9在強化學習中，采用εgreedy策略時，ε衰減過快可能導(dǎo)致A.過估計B.探索不足陷入局部最優(yōu)C.策略振蕩D.經(jīng)驗回放失效答案：B1.10下列總線中，哪一類最適合實時性要求<1ms的機器人關(guān)節(jié)伺服控制A.CANFDB.RS485C.EthernetUDPD.USB3.0答案：A2.多項選擇題（每題3分，共15分；每題至少有兩個正確答案，多選少選均不得分）2.1下列哪些方法可用于機器人手眼標定A.AX=XB方程求解B.TsaiLenz方法C.HandeyecalibrationviadualquaternionsD.Zhang標定法單獨使用答案：ABC2.2關(guān)于機器人動力學參數(shù)辨識，正確的有A.最小參數(shù)集需滿足線性無關(guān)條件B.激勵軌跡應(yīng)使回歸矩陣條件數(shù)盡可能小C.摩擦力模型必須采用Coulomb+Viscous模型D.加權(quán)最小二乘可提高參數(shù)估計魯棒性答案：ABD2.3下列哪些特征可直接用于3D點云配準A.FPFHB.SHOTC.SIFTD.ISS關(guān)鍵點答案：ABD2.4在ROS2中，下列關(guān)于DDSQoS策略的描述正確的有A.RELIABILITY分為RELIABLE與BEST_EFFORTB.HISTORY深度可限制本地緩存樣本數(shù)C.DEADLINE用于監(jiān)測節(jié)點存活D.LIVELINESS可配置為AUTOMATIC或MANUAL_BY_TOPIC答案：ABD2.5下列哪些技術(shù)可有效降低移動機器人輪式里程計累積誤差A(yù).融合IMU進行航位推算B.在線標定輪子半徑C.采用粒子濾波融合激光雷達D.提高控制周期至1kHz答案：ABC3.填空題（每空2分，共20分）3.1若某旋轉(zhuǎn)矩陣R滿足R的轉(zhuǎn)置乘以R等于單位矩陣，且det(R)=1，則R屬于________群。答案：SO(3)3.2在機器人視覺伺服中，若圖像特征維度為6，機器人自由度為6，則圖像雅可比矩陣維度為________。答案：6×63.3某伺服電機額定扭矩為0.64N·m，減速比為100，減速器效率為0.9，則輸出軸額定扭矩為________N·m。答案：57.63.4采用A算法進行路徑規(guī)劃時，若啟發(fā)函數(shù)h(n)恒為0，則算法退化為________算法。答案：Dijkstra3.5在MoveIt的OMPL中，PRM與PRM的主要區(qū)別在于PRM具有________性質(zhì)。答案：漸近最優(yōu)3.6若某激光雷達掃描頻率為10Hz，角分辨率為0.25°，則每幀點云包含________條射線。答案：14403.7在機器人操作系統(tǒng)中，節(jié)點間通信若采用共享內(nèi)存零拷貝機制，則對應(yīng)的ROS2中間件層為________。答案：iceoryx3.8若某四足機器人采用對角步態(tài)，其穩(wěn)定裕度可用________多邊形法進行判定。答案：支撐3.9在深度強化學習中，DDPG算法使用________網(wǎng)絡(luò)來穩(wěn)定目標值估計。答案：目標（或target）3.10若某機器人末端執(zhí)行器受力F=[1000]TN，力臂r=[00.10]Tm，則產(chǎn)生的力矩大小為________N·m。答案：14.簡答題（封閉型，每題8分，共24分）4.1簡述機器人奇異位形的物理含義，并給出一種避免奇異的運動規(guī)劃策略。答案：奇異位形指機器人雅可比矩陣降秩，導(dǎo)致末端失去某方向運動能力或出現(xiàn)無限大關(guān)節(jié)速度。物理上表現(xiàn)為某些方向剛度驟降、微小關(guān)節(jié)速度產(chǎn)生巨大末端速度。避免策略：在軌跡優(yōu)化中加入奇異指標罰函數(shù)，如條件數(shù)倒數(shù)或最小奇異值，約束其大于閾值；或采用冗余自由度機器人，在零空間內(nèi)自運動遠離奇異。4.2說明IMU與輪式里程計誤差模型的主要差異，并指出在擴展卡爾曼濾波（EKF）中如何分別建模。答案：輪式里程計誤差主要來源于輪子半徑、輪距、滑移，呈系統(tǒng)性隨距離累積；IMU誤差來源于零偏、隨機游走、溫度漂移，呈二次積分隨時間累積。EKF建模：輪式里程計誤差常建模為加性高斯白噪聲疊加于速度或位姿增量；IMU誤差需將零偏增廣為狀態(tài)變量，采用一階馬爾可夫模型，隨機游走驅(qū)動，測量協(xié)方差根據(jù)Allan方差參數(shù)整定。4.3列舉三種常用于六自由度機械臂軌跡平滑的插值方法，并比較其優(yōu)缺點。答案：1.三次多項式插值：計算簡單，保證位置速度連續(xù)，但加速度不連續(xù)；2.五次多項式插值：位置速度加速度均連續(xù)，沖擊小，但計算量略大；3.樣條插值（B樣條或NURBS）：可局部修改，曲率連續(xù)，適合復(fù)雜路徑，但參數(shù)化復(fù)雜，實時性略低。5.簡答題（開放型，每題10分，共20分）5.1某工廠需部署50臺AMR進行物料運輸，場地面積5000m2，存在動態(tài)人員與叉車混行。請?zhí)岢鲆惶锥鄼C器人調(diào)度與沖突避免方案，要求包括通信架構(gòu)、路徑規(guī)劃層、沖突消解策略，并評估其可擴展性。答案：通信架構(gòu)：采用ROS2DDS去中心化，以DDSRTPSoverWiFi6E，配置BEST_EFFORT與RELIABLE混合QoS，關(guān)鍵安全話題使用RELIABLE+TRANSIENT_LOCAL持久化；規(guī)劃層：全局采用分層時空沖突搜索（STCBS），將時間維離散為0.5s間隔，啟發(fā)函數(shù)采用曼哈頓距離+時間懲罰；局部采用TimedElasticBand動態(tài)避障，融合激光與視覺語義分割區(qū)分人與叉車，對不同障礙設(shè)置不同安全半徑（人1.0m，叉車1.5m）；沖突消解：當空間沖突無法通過速度調(diào)整解決時，引入優(yōu)先級拍賣，優(yōu)先級=任務(wù)緊急度×等待時間權(quán)重，低優(yōu)先級機器人重規(guī)劃；可擴展性：STCBS在50機器人時求解時間<200ms（i712700），采用滑動窗口僅對未來30s進行沖突搜索，內(nèi)存占用O(n2t)可接受；通過仿真100機器人場景，平均延遲增加<15%，證明可擴展至100臺。5.2針對果蔬采摘機器人，設(shè)計一套基于深度學習的成熟度檢測與輕柔抓取控制框架，需說明數(shù)據(jù)獲取、模型選擇、硬件適配、控制閉環(huán)，并分析在戶外光照變化下的魯棒性保障措施。答案：數(shù)據(jù)獲?。鹤越ǘ喙庾V數(shù)據(jù)集，包含可見光+近紅外850nm波段，使用DJIP4Multispectral采集，共3.2萬張，標注成熟度分三級；采用數(shù)據(jù)增強：隨機亮度±30%、色溫±500K、模擬逆光過曝；模型：主干網(wǎng)絡(luò)采用EfficientNetB3與NIR分支融合，注意力采用CBAM，輸出成熟度概率；硬件：NVIDIAJetsonOrinNano邊緣計算，功耗<15W，推理時間28ms；抓取控制：采用視覺伺服+力控混合，視覺提供6cm粗定位，接近后切換至六維力傳感器，閾值0.8N觸發(fā)關(guān)閉夾指，夾指材料為硅膠+折紙結(jié)構(gòu)，剛度可調(diào)；光照魯棒：在模型輸入中加入色溫歸一化與光照不變圖（Retinex預(yù)處理），并在訓練階段使用對抗樣本生成（PGD攻擊）提升魯棒性；現(xiàn)場測試：晴天10:00–15:00變化光照下，成熟度檢測準確率由96.2%降至93.1%，仍高于人工分揀90%要求；抓取成功率97%，果皮損傷率<2%，滿足商業(yè)需求。6.計算題（共25分）6.1已知二連平面機械臂連桿長度l1=0.4m，l2=0.3m，關(guān)節(jié)角θ1=30°，θ2=45°。求末端執(zhí)行器在基坐標系下的位置坐標(x,y)，并計算該點的雅可比矩陣J。（10分）答案：x=l1cosθ1+l2cos(θ1+θ2)=0.4cos30°+0.3cos75°≈0.4×0.866+0.3×0.2588≈0.3464+0.0776≈0.424my=l1sinθ1+l2sin(θ1+θ2)≈0.4×0.5+0.3×0.9659≈0.2+0.2898≈0.490m雅可比矩陣：J=[l1sinθ1l2sin(θ1+θ2)l2sin(θ1+θ2)][l1cosθ1+l2cos(θ1+θ2)l2cos(θ1+θ2)]代入得：J11=0.4×0.50.3×0.9659≈0.20.2898≈0.4898J12=0.3×0.9659≈0.2898J21=0.4×0.866+0.3×0.2588≈0.3464+0.0776≈0.424J22=0.3×0.2588≈0.0776故J≈[0.4900.290][0.4240.078](單位：m/rad)6.2某移動機器人質(zhì)量m=20kg，輪子半徑r=0.1m，減速比k=30，電機最大扭矩Tm=2N·m，減速器效率η=0.85。若要求機器人在0.5s內(nèi)從靜止加速到v=1.5m/s，忽略滑移與空氣阻力，求所需電機最大扭矩是否滿足要求，并計算電機峰值功率。（8分）答案：所需牽引力F=ma=20×(1.5/0.5)=60N輪扭矩Tw=Fr=60×0.1=6N·m電機輸出扭矩Tmotor=Tw/(kη)=6/(30×0.85)≈0.235N·m0.235N·m<2N·m，滿足。峰值功率P=Tmotor×ω，ω=vk/r=1.5×30/0.1=45