2025年機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用考試試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.在六自由度串聯(lián)機(jī)械臂中，若僅考慮位置控制而不考慮姿態(tài)，最少需要驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)數(shù)為A.3??B.4??C.5??D.6答案：A2.下列關(guān)于ROS2的敘述，正確的是A.僅支持Linux系統(tǒng)??B.采用集中式Master機(jī)制??C.使用DDS作為中間件??D.節(jié)點(diǎn)名稱必須全局唯一答案：C3.某移動(dòng)機(jī)器人采用兩輪差分驅(qū)動(dòng)，輪距0.4m，若左輪速度0.3m/s、右輪速度0.5m/s，則機(jī)器人瞬時(shí)角速度為A.0.2rad/s??B.0.25rad/s??C.0.5rad/s??D.1.0rad/s答案：B4.在機(jī)器人視覺里，用于描述“像素坐標(biāo)系到圖像坐標(biāo)系”變換的參數(shù)是A.焦距fx、fy??B.主點(diǎn)cx、cy??C.旋轉(zhuǎn)矩陣R??D.平移向量t答案：B5.工業(yè)機(jī)器人力控打磨時(shí)，常采用“導(dǎo)納控制”而非“阻抗控制”，其主要原因是A.導(dǎo)納控制硬件成本更低??B.導(dǎo)納控制對(duì)力傳感器噪聲更魯棒??C.導(dǎo)納控制可直接輸出位置修正量??D.導(dǎo)納控制無需建立環(huán)境模型答案：C6.下列哪種傳感器最適合用于檢測(cè)3m外黑色啞光紙箱的精確距離A.超聲波傳感器??B.紅外測(cè)距傳感器??C.2D激光雷達(dá)??D.毫米波雷達(dá)答案：C7.在機(jī)器人操作系統(tǒng)中，若節(jié)點(diǎn)A以10Hz發(fā)布話題/chatter，節(jié)點(diǎn)B以30Hz訂閱該話題，則實(shí)際接收頻率約為A.10Hz??B.20Hz??C.30Hz??D.40Hz答案：A8.某SCARA機(jī)器人在XY平面做點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，若采用梯形速度規(guī)劃，加速度限值為5m/s2，最大速度限值為1m/s，移動(dòng)距離0.8m，則最短運(yùn)動(dòng)時(shí)間約為A.0.8s??B.1.0s??C.1.2s??D.1.4s答案：C9.關(guān)于機(jī)器人協(xié)作安全標(biāo)準(zhǔn)ISO102181:2011，下列說法錯(cuò)誤的是A.規(guī)定手動(dòng)降速模式最大速度≤250mm/s??B.要求急停按鈕為紅色蘑菇頭??C.允許使用三維空間安全圍欄??D.強(qiáng)制要求力傳感器冗余答案：D10.在強(qiáng)化學(xué)習(xí)訓(xùn)練機(jī)械臂抓取任務(wù)中，采用“稀疏獎(jiǎng)勵(lì)”策略時(shí)，最常見的穩(wěn)定訓(xùn)練技巧是A.增大學(xué)習(xí)率??B.使用HER回放機(jī)制??C.減小批量大小??D.提高探索噪聲方差答案：B二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分，多選少選均不得分）11.下列哪些方法可用于解決機(jī)器人SLAM中的“回環(huán)檢測(cè)”漂移問題A.詞袋模型??B.掃描匹配??C.圖優(yōu)化??D.擴(kuò)展卡爾曼濾波??E.深度學(xué)習(xí)特征提取答案：A、C、E12.關(guān)于機(jī)器人關(guān)節(jié)諧波減速器，下列說法正確的有A.傳動(dòng)比大??B.零背隙??C.允許輸入軸高速??D.效率通常低于60%??E.柔輪材料需耐疲勞答案：A、C、E13.在移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃中，A算法的啟發(fā)函數(shù)h(n)若滿足“可納”條件，則A.保證找到最優(yōu)解??B.搜索節(jié)點(diǎn)數(shù)一定最少??C.啟發(fā)值不能高于真實(shí)代價(jià)??D.允許h(n)=0??E.與Dijkstra算法等價(jià)答案：A、C、D14.下列哪些技術(shù)可直接用于六維力傳感器零點(diǎn)漂移的在線補(bǔ)償A.溫度漂移建模??B.滑動(dòng)平均濾波??C.重力分量估計(jì)??D.末端工具慣性參數(shù)辨識(shí)??E.關(guān)節(jié)電流積分答案：A、C、D15.關(guān)于機(jī)器人云平臺(tái)，下列屬于邊緣計(jì)算優(yōu)勢(shì)的有A.降低骨干網(wǎng)帶寬壓力??B.減少云端GPU租賃費(fèi)用??C.提高數(shù)據(jù)隱私性??D.支持毫秒級(jí)實(shí)時(shí)控制??E.統(tǒng)一全局調(diào)度答案：A、C、D三、填空題（每空2分，共20分）16.某機(jī)器人關(guān)節(jié)采用永磁同步電機(jī)，極對(duì)數(shù)為5，編碼器分辨率為17bit，則電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈編碼器可輸出________個(gè)電角度周期，單個(gè)電角度周期對(duì)應(yīng)編碼器增量為________。答案：5，13117.在機(jī)器人視覺里，若相機(jī)內(nèi)參矩陣為K，歸一化圖像坐標(biāo)為[xn,yn,1]T，則像素坐標(biāo)[u,v]T可通過________（寫出矩陣乘法形式）得到。答案：K[xn,yn,1]T18.工業(yè)機(jī)器人在基坐標(biāo)系下進(jìn)行圓弧運(yùn)動(dòng)時(shí)，需至少示教________個(gè)不共線點(diǎn)，系統(tǒng)才能唯一確定圓弧平面。答案：319.某AGV采用麥克納姆輪，若輪輥角為45°，當(dāng)四個(gè)輪子轉(zhuǎn)速相同且方向一致時(shí)，車體將沿________方向平移。答案：斜向45°（或“與輪輥角垂直方向”）20.在機(jī)器人操作系統(tǒng)中，命令“ros2topichz/scan”的作用是________。答案：統(tǒng)計(jì)話題/scan的實(shí)際發(fā)布頻率21.若機(jī)械臂末端執(zhí)行器質(zhì)量為2kg，重心在法蘭坐標(biāo)系下為[0,0,0.1]m，則重力在法蘭坐標(biāo)系產(chǎn)生的力矩大小為________N·m。（取g=9.8m/s2）答案：1.9622.在機(jī)器人強(qiáng)化學(xué)習(xí)中，DDPG算法使用________網(wǎng)絡(luò)來近似Q函數(shù)，使用________策略實(shí)現(xiàn)連續(xù)動(dòng)作輸出。答案：Critic，確定性23.某工廠部署10臺(tái)協(xié)作機(jī)器人，若每臺(tái)機(jī)器人平均功耗500W，每天運(yùn)行20h，則月度（30天）總耗電________kWh。答案：300024.在機(jī)器人語音交互中，將“語音識(shí)別→語義理解→對(duì)話管理→語音合成”視為流水線，若各模塊延遲分別為200ms、150ms、100ms、250ms，則端到端延遲為________ms。答案：70025.在機(jī)器人安全電路里，ISO138491性能等級(jí)PLe對(duì)應(yīng)每小時(shí)危險(xiǎn)失效概率范圍________。答案：10^6≤PFH<10^5四、簡(jiǎn)答題（共25分）26.（封閉型，6分）說明機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)中“奇異”產(chǎn)生的物理意義，并列舉一種避免奇異的路徑規(guī)劃策略。答案：奇異指機(jī)器人某一位形下雅可比矩陣秩降，末端失去某方向運(yùn)動(dòng)能力或關(guān)節(jié)速度趨于無窮。策略：在關(guān)節(jié)速度層加入阻尼逆解，即使用阻尼最小二乘法，令q_dot=J^T(JJ^T+λ2I)^1v，其中λ>0，可在奇異附近抑制速度放大。27.（開放型，7分）結(jié)合實(shí)例，闡述“數(shù)字孿生”在機(jī)器人產(chǎn)線運(yùn)維中的三項(xiàng)核心價(jià)值，并指出實(shí)現(xiàn)中的最大技術(shù)障礙。答案：價(jià)值1：實(shí)時(shí)故障預(yù)測(cè)——孿生體通過傳感器數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，可提前2h發(fā)現(xiàn)減速器溫升異常，避免停機(jī)。價(jià)值2：工藝優(yōu)化——在孿生環(huán)境中迭代打磨軌跡，將節(jié)拍從45s縮短到38s再下發(fā)實(shí)體。價(jià)值3：遠(yuǎn)程運(yùn)維——疫情期間工程師居家通過孿生體診斷并調(diào)整德國(guó)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人程序。最大障礙：高保真模型與實(shí)體的實(shí)時(shí)同步，即毫秒級(jí)數(shù)據(jù)閉環(huán)與模型精度之間的巨大計(jì)算量。28.（封閉型，6分）給出基于擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）的機(jī)器人定位算法主要步驟，并指出其線性化誤差來源。答案：步驟：1.預(yù)測(cè)——利用運(yùn)動(dòng)模型計(jì)算先驗(yàn)狀態(tài)與協(xié)方差；2.觀測(cè)——獲取傳感器數(shù)據(jù)；3.更新——計(jì)算卡爾曼增益，校正狀態(tài)與協(xié)方差。誤差來源：在預(yù)測(cè)和觀測(cè)模型泰勒展開時(shí)忽略高階項(xiàng)，導(dǎo)致非線性系統(tǒng)近似誤差。29.（開放型，6分）某服務(wù)機(jī)器人需在商場(chǎng)夜間巡邏，燈光昏暗且場(chǎng)景動(dòng)態(tài)變化大，請(qǐng)?zhí)岢鲆环N多傳感器融合方案，并說明如何標(biāo)定。答案：采用“3DToF相機(jī)+IMU+輪速計(jì)”融合。ToF提供稠密點(diǎn)云，IMU補(bǔ)償快速旋轉(zhuǎn)，輪速計(jì)提供低頻位移約束。標(biāo)定：1.相機(jī)IMU外參——將機(jī)器人置于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，采集同步數(shù)據(jù)，使用Kalibr工具基于手眼標(biāo)定模型估計(jì)；2.輪速計(jì)尺度——在已知長(zhǎng)度的直走廊往返行駛，用最小二乘擬合輪徑系數(shù)；3.時(shí)間同步——硬件觸發(fā)ToF與IMU，輪速通過軟件時(shí)間戳對(duì)齊，采用線性插值補(bǔ)償延遲。五、計(jì)算題（共30分）30.（10分）某六軸工業(yè)機(jī)器人在關(guān)節(jié)空間做點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，單關(guān)節(jié)參數(shù)如下：初始角度q0=0°，目標(biāo)角度qf=90°，速度限值ωmax=120°/s，加速度限值α=360°/s2，減速度β=360°/s2。采用對(duì)稱梯形規(guī)劃，求：（1）最短運(yùn)動(dòng)時(shí)間t_total；（2）若實(shí)際負(fù)載慣量增加50%，加速度降為240°/s2，求新的t_total。解：（1）先判斷能否達(dá)到最大速度：加速段所需角度θa=ωmax2/(2α)=1202/(2360)=20°，同理減速段20°，共40°<90°，故存在勻速段。加速時(shí)間ta=ωmax/α=120/360=0.333s，減速時(shí)間td=0.333s，勻速段角度θc=9040=50°，勻速時(shí)間tc=50/120=0.417s。t_total=ta+tc+td=1.083s。（2）加速度降為240°/s2，重新計(jì)算：θa=1202/(2240)=30°，總加減速角度60°<90°，仍含勻速。ta=120/240=0.5s，td=0.5s，θc=30°，tc=30/120=0.25s。t_total=0.5+0.25+0.5=1.25s。答案：（1）1.083s；（2）1.25s。31.（10分）某移動(dòng)機(jī)器人采用兩輪差分驅(qū)動(dòng)，輪距L=0.4m，車輪半徑r=0.1m。已知左輪編碼器在Δt=0.1s內(nèi)脈沖增量Nl=120，右輪Nr=80，編碼器線數(shù)P=1024。求：（1）機(jī)器人線速度v與角速度ω；（2）若IMU測(cè)得角速度為0.25rad/s，用最小二乘估計(jì)輪徑誤差系數(shù)ε（假設(shè)兩輪誤差相同）。解：（1）左輪速度vl=2πrNl/(PΔt)=2π0.1120/(10240.1)=0.736m/s，右輪速度vr=2π0.180/102.4=0.491m/s，v=(vl+vr)/2=0.613m/s，ω=(vrvl)/L=0.613rad/s（順時(shí)針）。（2）設(shè)輪徑真實(shí)半徑r′=r(1+ε)，則編碼器推算角速度ωe=(vrvl)/L=2πr(1+ε)(NrNl)/(PLΔt)=0.613(1+ε)，IMU觀測(cè)ωi=0.25rad/s，誤差方程：ωiωe=0.25+0.613(1+ε)=e，最小二乘目標(biāo)minε2，令e=0，則0.25+0.613+0.613ε=0→ε=1.38/0.613=2.25（負(fù)號(hào)表示輪徑實(shí)際偏?。４鸢福海?）v=0.613m/s，ω=0.613rad/s；（2）ε=2.25。32.（10分）某SCARA機(jī)器人在XY平面做圓弧插補(bǔ)，圓弧半徑R=0.2m，圓心位于(0.3,0.1)m，起始點(diǎn)A(0.1,0.1)m，終點(diǎn)B(0.3,0.3)m，要求末端線速度恒為v=0.5m/s。求：（1）圓弧對(duì)應(yīng)圓心角θ；（2）插補(bǔ)周期T=0.01s時(shí)，每個(gè)周期角位移Δθ；（3）若采用梯形加減速，加速度限值a=2m/s2，求加速段所需圓弧長(zhǎng)度s_a。解：（1）向量OA=(0.2,0)，OB=(0,0.2)，點(diǎn)積OA·OB=0，故θ=90°=π/2rad。（2）Δθ=vT/R=0.50.01/0.2=0.025rad。（3）切向加速度a=2m/s2，加速到0.5m/s所需時(shí)間t=v/a=0.25s，s_a=0.5at2=0.520.252=0.0625m。答案：（1）π/2rad；（2）0.025rad；（3）0.0625m。六、綜合應(yīng)用題（共30分）33.（15分）某工廠計(jì)劃部署50臺(tái)AMR（自主移動(dòng)機(jī)器人）組成柔性物流系統(tǒng)，場(chǎng)景為1.5萬m2車間，通道寬度1.8m，最大允許車速1.2m/s，要求單小時(shí)完成600次運(yùn)輸任務(wù)，每次運(yùn)輸平均路程120m。已知：?jiǎn)闻_(tái)AMR續(xù)航8h，充電時(shí)間1h，電池容量2kWh；車輛空載功耗120W，滿載功耗180W，待機(jī)功耗40W；充電樁功率3kW，每臺(tái)車每天需充電2次；單趟裝卸時(shí)間合計(jì)30s。問題：（1）計(jì)算滿足吞吐量所需的最小車隊(duì)規(guī)模N；（2）評(píng)估現(xiàn)有充電樁數(shù)量M=10是否足夠，若不足需增加多少；（3）設(shè)計(jì)一種去中心化多機(jī)器人路徑協(xié)調(diào)算法，要求寫出核心偽代碼并說明如何避免死鎖。解：（1）單趟運(yùn)輸時(shí)間=行駛120/1.2=100s+裝卸30s=130s，單小時(shí)單車可完成3600/130≈27.7趟，取27趟?？傂枨?00趟，需N=600/27≈22.2，向上取整23臺(tái)?？紤]20%冗余，N=28臺(tái)。（2）單車日充電2次，總充電需求502=100次，10個(gè)樁每日可服務(wù)24/1=24臺(tái)次，10樁共240臺(tái)次>100臺(tái)次，理論足夠。但充電窗口集中在換班間隙2h，此時(shí)需同時(shí)充電車輛≈50%50=25臺(tái)，25臺(tái)需25個(gè)樁，現(xiàn)有10個(gè)，需增加15個(gè)。（3）去中心化協(xié)調(diào)：采用“預(yù)約占用釋放”機(jī)制，每條道路抽象為資源。偽代碼：```foreachedgeeinplanned_pathwhilee.occupancy≥e.capacitywait(random_backoff)e.reserve(id,arrival_time,leave_time)drive(e)e.release(id)```死鎖避免：每條道路賦予全局序號(hào)，車輛只允升高序號(hào)道路行駛，形成DAG，破壞循環(huán)等待條件。答案：（1）28臺(tái)；（2）需增加15個(gè)樁；（3）見上。34.（15分）某七軸協(xié)作機(jī)器人需在未知?jiǎng)偠拳h(huán)境中完成精密軸孔裝配，孔徑20mm，軸徑19.96mm，深度30mm，最大允許接觸力5N，最大允許力矩0.3N·m。環(huán)境剛度未知，可能為100N/m至10000N/m。設(shè)計(jì)一套基于力位混合控制的自適應(yīng)裝配策略，要求：（1）給出控制框圖并說明各模塊功能；（2）推導(dǎo)變剛度估計(jì)公式；（3）寫出裝配