2025年高職機(jī)器人控制(控制技術(shù))模擬考核試卷及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分。每題只有一個(gè)正確答案，請將正確選項(xiàng)字母填入括號內(nèi)）1.在工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)中，若采用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三環(huán)串級控制，則最外環(huán)是（）。A.電流環(huán)??B.速度環(huán)??C.位置環(huán)??D.力矩環(huán)答案：C2.某六軸機(jī)器人第三關(guān)節(jié)采用諧波減速器，其減速比為120:1，若電機(jī)端編碼器分辨率為17bit，則關(guān)節(jié)端理論位置分辨率為（）角秒。A.0.73??B.1.2??C.2.4??D.4.8答案：A3.在基于EtherCAT的分布式控制架構(gòu)中，DC（DistributedClock）機(jī)制主要解決（）問題。A.帶寬不足??B.從站節(jié)點(diǎn)掉線??C.時(shí)鐘同步??D.數(shù)據(jù)加密答案：C4.若某關(guān)節(jié)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速3000r/min，額定電壓48V，采用PWM驅(qū)動(dòng)，占空比60%，忽略損耗，則此時(shí)電機(jī)端平均電壓為（）V。A.28.8??B.48??C.60??D.80答案：A5.在機(jī)器人動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識實(shí)驗(yàn)中，若采用加權(quán)最小二乘法，權(quán)重矩陣通常選擇（）的逆矩陣。A.觀測矩陣??B.輸入矩陣??C.協(xié)方差矩陣??D.慣性矩陣答案：C6.下列關(guān)于力位混合控制的說法，錯(cuò)誤的是（）。A.需要建立約束坐標(biāo)系??B.位置環(huán)與力環(huán)可并行運(yùn)行??C.無需知道環(huán)境剛度即可穩(wěn)定??D.需實(shí)時(shí)切換控制模式答案：C7.若某SCARA機(jī)器人在XY平面做直線插補(bǔ)，起點(diǎn)(0,0)，終點(diǎn)(400,300)，采用梯形速度規(guī)劃，最大速度500mm/s，加速度2500mm/s2，則加速段時(shí)間為（）s。A.0.1??B.0.2??C.0.4??D.0.5答案：B8.在ROS2中，用于實(shí)時(shí)發(fā)布關(guān)節(jié)位置數(shù)據(jù)的接口類型為（）。A.sensor_msgs/JointState??B.trajectory_msgs/JointTrajectory??C.control_msgs/JointControllerState??D.std_msgs/Float64MultiArray答案：A9.某機(jī)器人末端執(zhí)行器質(zhì)量2kg，重心距離法蘭盤100mm，若安裝加速度計(jì)測得法蘭角加速度為50rad/s2，則因慣性產(chǎn)生的附加力矩為（）Nm。A.0.5??B.1??C.2??D.5答案：B10.在基于圖像的視覺伺服（IBVS）中，若圖像特征點(diǎn)深度未知，需引入（）估計(jì)器。A.卡爾曼??B.龍伯格??C.深度遞推??D.滑模答案：C二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分。每題有兩個(gè)或兩個(gè)以上正確答案，多選、少選、錯(cuò)選均不得分）11.下列哪些屬于機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)器過流保護(hù)的硬件級措施（）。A.霍爾電流傳感器??B.分流電阻采樣??C.智能功率模塊IPM過流關(guān)斷??D.軟件積分窗檢測答案：A、B、C12.關(guān)于機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)，下列說法正確的是（）。A.輸入為關(guān)節(jié)角度向量??B.輸出為末端位姿齊次矩陣??C.需用到DH參數(shù)表??D.需用到雅可比矩陣答案：A、B、C13.在基于阻抗控制的打磨應(yīng)用中，需實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的阻抗參數(shù)包括（）。A.慣性??B.阻尼??C.剛度??D.電機(jī)極對數(shù)答案：A、B、C14.下列哪些屬于工業(yè)現(xiàn)場總線（）。A.CANopen??B.RS485Modbus??C.EtherNet/IP??D.USB3.0答案：A、B、C15.若機(jī)器人控制系統(tǒng)采用雙核ARMCortexA9+FPGA架構(gòu)，F(xiàn)PGA可承擔(dān)的任務(wù)有（）。A.電流環(huán)采樣??B.編碼器正交解碼??C.軌跡規(guī)劃??D.安全急停邏輯答案：A、B、D三、填空題（每空2分，共20分）16.某關(guān)節(jié)電機(jī)采用增量式2500線編碼器，四倍頻后每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為________，若減速比為100:1，則關(guān)節(jié)端單圈分辨率為________脈沖。答案：10000；10017.在機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程M(q)q¨+C(q,q˙)q˙+G(q)=τ中，M(q)表示________矩陣，C(q,q˙)q˙表示________力矩。答案：慣性；科氏與離心18.若某機(jī)器人末端速度為v=[200000010]Tmm/s與°/s，雅可比矩陣J為6×6矩陣，則關(guān)節(jié)速度q˙=________×v。答案：J的逆矩陣（或pinv(J)）19.在PID控制器離散化中，若采樣周期T=1ms，積分系數(shù)Ki=0.1，則積分項(xiàng)累加公式為I(k)=I(k1)+________×e(k)。答案：0.000120.若某機(jī)器人基坐標(biāo)系到末端坐標(biāo)系的齊次變換矩陣為T，則其位置向量為T的第________列前________行元素。答案：4；321.在力控打磨中，若環(huán)境剛度為Ke=10000N/m，期望接觸力Fd=20N，則期望位移偏移量為________mm。答案：222.若某伺服驅(qū)動(dòng)器開關(guān)頻率為8kHz，則PWM周期為________μs。答案：12523.在ROS2中，節(jié)點(diǎn)通過________機(jī)制發(fā)現(xiàn)彼此，底層默認(rèn)采用________協(xié)議。答案：DDS；UDP24.若機(jī)器人末端執(zhí)行器需要繞工具坐標(biāo)系Z軸旋轉(zhuǎn)30°，則對應(yīng)的等效軸角表示為軸向量k=[001]T，角度θ=________°。答案：3025.在基于模型預(yù)測控制（MPC）的軌跡跟蹤中，預(yù)測時(shí)域?yàn)镹，控制時(shí)域?yàn)镹c，則優(yōu)化變量維度為________×Nc。答案：輸入維數(shù)（或m）四、簡答題（共5題，每題8分，共40分）26.封閉型簡答：說明機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)電流采樣的三種常用方式，并比較其優(yōu)缺點(diǎn)。答案：（1）分流電阻：成本低，精度中等，需差分放大，易受溫度漂移影響；（2）霍爾傳感器：隔離性好，精度高，成本較高，體積大；（3）內(nèi)置IPM橋臂采樣：無需外置電阻，布線簡潔，但需快速采樣保持電路，對ADC速度要求高。27.開放型簡答：闡述基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的機(jī)器人抓取策略訓(xùn)練流程，并指出仿真到真實(shí)（Sim2Real）遷移的關(guān)鍵技術(shù)。答案：流程：1.構(gòu)建仿真環(huán)境（MuJoCo/Gazebo），隨機(jī)生成物體位姿與物理屬性；2.設(shè)計(jì)狀態(tài)空間（圖像+深度+關(guān)節(jié)角度）、動(dòng)作空間（末端速度或關(guān)節(jié)速度）、獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)（抓取成功+力懲罰+時(shí)間懲罰）；3.采用DDPG/PPO/SAC算法訓(xùn)練，并行采集經(jīng)驗(yàn)池；4.保存策略網(wǎng)絡(luò)。Sim2Real關(guān)鍵：1.域隨機(jī)化（紋理、光照、摩擦、質(zhì)量）；2.系統(tǒng)辨識補(bǔ)償仿真動(dòng)力學(xué)誤差；3.圖像風(fēng)格遷移（GAN）縮小視覺差異；4.漸進(jìn)式真實(shí)微調(diào)（finetuning）保持穩(wěn)定性。28.封閉型簡答：寫出標(biāo)準(zhǔn)DH參數(shù)表的四個(gè)變量含義，并給出相鄰連桿變換矩陣的一般形式（可用Mat公式）。答案：變量：θi為關(guān)節(jié)角，di為連桿偏距，ai為連桿長度，αi為連桿扭角。變換矩陣：T(i1,i)=Rot(z,θi)Trans(z,di)Trans(x,ai)Rot(x,αi)其中Rot(z,θi)=[cosθisinθi00;sinθicosθi00;0010;0001]Trans(z,di)=[1000;0100;001di;0001]Trans(x,ai)=[100ai;0100;0010;0001]Rot(x,αi)=[1000;0cosαisinαi0;0sinαicosαi0;0001]29.開放型簡答：說明機(jī)器人安全等級PLd（ISO138491）的實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)，并給出一條急?；芈返募軜?gòu)示例。答案：要點(diǎn)：1.冗余通道（雙通道輸入、雙MCU交叉監(jiān)控）；2.診斷覆蓋率DC≥99%；3.MTTFd高等級（>100年）；4.共因失效CCF≥65分；5.故障反應(yīng)時(shí)間<500ms。架構(gòu)示例：雙通道急停按鈕→雙路安全繼電器（帶強(qiáng)制導(dǎo)向觸點(diǎn)）→雙路接觸器冗余切斷電機(jī)電源；安全繼電器具備反饋回路檢測粘連，任一通道斷開即切斷主回路，同時(shí)通過安全總線報(bào)告故障。30.封閉型簡答：解釋“零力控制”在協(xié)作機(jī)器人中的含義，并給出重力補(bǔ)償算法的兩步流程。答案：含義：通過實(shí)時(shí)補(bǔ)償重力和摩擦力，使操作者可徒手拖拽機(jī)器人，感覺“零重力”。流程：1.基于動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算當(dāng)前位姿下的重力矩G(q)和摩擦力矩F(q˙)；2.將期望力矩設(shè)為τ=G(q)+F(q˙)，關(guān)閉位置環(huán)，切換至力矩模式，實(shí)現(xiàn)零力示教。五、計(jì)算題（共3題，每題15分，共45分）31.已知某兩連桿平面機(jī)械臂，連桿1長度l1=300mm，連桿2長度l2=250mm，關(guān)節(jié)角度q1=30°，q2=45°。（1）求末端位置(x,y)；（2）求雅可比矩陣J；（3）若希望末端產(chǎn)生速度vx=100mm/s，vy=0，求關(guān)節(jié)速度q˙1、q˙2。答案：（1）x=l1cosq1+l2cos(q1+q2)=300cos30+250cos75=259.8+64.7=324.5mmy=l1sinq1+l2sin(q1+q2)=300sin30+250sin75=150+241.5=391.5mm（2）J=[l1sinq1l2sin(q1+q2)l2sin(q1+q2);l1cosq1+l2cos(q1+q2)l2cos(q1+q2)]=[300sin30250sin75250sin75;300cos30+250cos75250cos75]=[150241.5241.5;259.8+64.764.7]=[391.5241.5;324.564.7]mm/rad（3）q˙=J^(1)[100;0]detJ=(391.5)(64.7)(241.5)(324.5)=25350+78367=53017J^(1)=(1/53017)[64.7241.5;324.5391.5]q˙1=(64.7100)/53017=0.122rad/s≈7°/sq˙2=(324.5100)/53017=0.612rad/s≈35°/s32.某直流無刷電機(jī)額定功率400W，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，額定電壓48V，極對數(shù)4，減速比50:1，驅(qū)動(dòng)器母線電壓48V，PWM上限占空比95%。（1）求額定電磁轉(zhuǎn)矩；（2）求額定電流；（3）若關(guān)節(jié)端需維持120Nm負(fù)載，求電機(jī)端所需電流（忽略損耗）；（4）判斷占空比是否夠用。答案：（1）額定轉(zhuǎn)矩T=60P/(2πn)=60400/(2π3000)=1.27Nm（2）額定電流I=P/U=400/48=8.33A（3）負(fù)載矩120Nm→電機(jī)端T=120/50=2.4Nm電流I=2.4/1.278.33=15.7A（4）電機(jī)端電壓需求U=(15.7/8.33)48=90.5V>48V，需升壓；占空比95%對應(yīng)平均電壓0.9548=45.6V<90.5V，故占空比不夠，需更換更高母線電壓或更大減速比。33.某六軸機(jī)器人需完成點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，關(guān)節(jié)空間最大速度q˙max=1.5rad/s，最大加速度q¨max=5rad/s2，起始角度q0=[000000]T，目標(biāo)角度qf=[1.20.80.50.30.60.9]Trad。采用對稱梯形規(guī)劃，求：（1）最短運(yùn)動(dòng)時(shí)間tmin；（2）若要求運(yùn)動(dòng)時(shí)間延長至t=4s，重新計(jì)算勻速段速度；（3）寫出第3關(guān)節(jié)在t=1s時(shí)的角度、速度、加速度表達(dá)式。答案：（1）單軸最大角位移Δq=1.2rad，梯形時(shí)間公式：tmin=2√(Δq/q¨max)=2√(1.2/5)=0.98s，取整1.0s（2）t=4s>1.0s，采用低速梯形：勻速段速度v=Δq/(ttacc)，tacc=v/q¨max聯(lián)立得v=Δq/(tv/q¨max)→v2vq¨maxt+Δqq¨max=0解得v=0.3rad/s（3）第3關(guān)節(jié)Δq=0.5rad，tacc=v/q¨max=0.3/5=0.06st=1s處于勻速段：q(1)=q0+vt=0+0.31=0.3radq˙(1)=0.3rad/sq¨(1)=0六、綜合應(yīng)用題（共2題，每題20分，共40分）34.某工廠采用六軸機(jī)器人進(jìn)行恒力打磨，打磨頭質(zhì)量1.5kg，環(huán)境曲面未知，要求垂直表面方向保持30N±2N。系統(tǒng)配置：六維力傳感器位于腕部，采樣頻率1kHz，機(jī)器人控制器支持1ms插補(bǔ)周期，支持力位混合控制框架。任務(wù)：（1）設(shè)計(jì)控制框圖，標(biāo)明坐標(biāo)系、信號流向、控制模式切換邏輯；（2）推導(dǎo)外環(huán)力控到內(nèi)環(huán)位置修正的阻抗映射算法，給出Mat公式；（3）給出力傳感器重力補(bǔ)償與慣性力補(bǔ)償?shù)耐暾鞒?；?）若傳感器檢測到力沖擊超過50N，設(shè)計(jì)一條安全回退軌跡，要求2ms內(nèi)開始回退，回退距離10mm，回退加速度不超過5000mm/s2，計(jì)算最小回退時(shí)間并給出梯形規(guī)劃參數(shù)。答案：（1）框圖：工具坐標(biāo)系{T}定義Z軸垂直表面。力傳感器→重力/慣性補(bǔ)償→Fe。外環(huán)：力誤差ΔF=FdFe，經(jīng)阻抗模型生成位移修正Δx。內(nèi)環(huán)：Δx經(jīng)位置環(huán)生成速度指令，切換開關(guān)：正常力控模式，沖擊>50N觸發(fā)回退模式，速度指令由回退軌跡發(fā)生器提供。（2）阻抗映射：MdΔx¨+BdΔx˙+KdΔx=ΔF離散化：Δx(k)=ΔF(k)/(Kd+Bd/T+Md/T2)其中Md=0.1kg，Bd=50Ns/m，Kd=1000N/m，T=0.001s（3）補(bǔ)償流程：a.讀取當(dāng)前關(guān)節(jié)角度q，計(jì)算工具姿態(tài)R；b.根據(jù)質(zhì)量m=1.5kg，重心r=[0050]Tmm，計(jì)算重力在傳感器坐標(biāo)系下的力Fg=R[00mg]T和力矩Mg=r×Fg；c.讀取機(jī)器人加速度a、角加速度α，計(jì)算慣性力Fi=ma，慣性力矩Mi=Iα；d.補(bǔ)償后Fe=FrawFgMgFiMi（4）回退：最大加速度amax=5000mm/s2，距離s=10mm，對稱梯形：tmin=2√(s/amax)=2√(10/5000)=0.089s=89ms加速段時(shí)間tacc=tmin/2=44.5ms，最大速度v=amaxtacc=222.5mm/s規(guī)劃參數(shù)：加速段44.5ms，減速段44.5ms，勻速段0，總時(shí)間89ms<2ms限制不可行，故采用極限減速：令tacc=1ms，則v=50000.001=5mm/s，sacc=0.55000(0.001)2=0.0025mm，剩余9.9975mm以5mm/s勻速，t勻速=1.9995s，總時(shí)間2.0005s，滿足2ms內(nèi)開始條件。35.某物流倉庫采用移動(dòng)協(xié)作機(jī)器人（AMR+六軸）進(jìn)行揀選，AMR最大速度1.5m/s，定位精度±10mm，六軸重復(fù)定位精度±0.02mm，需完成“視覺定位抓取放置”循環(huán)，節(jié)拍≤8s。物品尺寸80×60×40mm，質(zhì)量0.5kg，隨機(jī)擺放在深400mm的料箱中。任務(wù)：（1）設(shè)計(jì)整體系統(tǒng)架構(gòu)，列出感知、規(guī)劃、控制、執(zhí)行四層模塊及數(shù)據(jù)接口；（2）計(jì)算視覺定位允許的最大時(shí)間預(yù)算，保證8s節(jié)拍；（3）若采用eyeinhand相機(jī)，焦距f=16mm，像素尺寸2.2μm，工作距離400mm，求單像素對應(yīng)物空間分辨率，并判斷是否滿足±0.5mm抓取精度；（4）給出AMR與六軸的協(xié)同規(guī)劃策略，避免振動(dòng)與滑移；（5）若網(wǎng)絡(luò)丟包率1%，設(shè)計(jì)一條冗余通信機(jī)制，保證急停信號100ms內(nèi)必達(dá)。答案：（1）架構(gòu)：感知層：RGBD相機(jī)+AMR激光雷達(dá)→ROS2話題/image、/scan；規(guī)劃層：MoveLite節(jié)點(diǎn)