2025年機(jī)器人競賽題庫與參考答案解析一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.在機(jī)器人路徑規(guī)劃中，A算法與Dijkstra算法相比，其主要優(yōu)勢在于A.時(shí)間復(fù)雜度更低B.空間占用更小C.引入啟發(fā)函數(shù)，搜索方向性更強(qiáng)D.無需構(gòu)建圖結(jié)構(gòu)答案：C解析：A通過啟發(fā)函數(shù)h(n)引導(dǎo)搜索，減少無效擴(kuò)展，速度通?？煊贒ijkstra。2.某六自由度機(jī)械臂采用DH法建模，若第3關(guān)節(jié)為移動關(guān)節(jié)，則其θ3參數(shù)應(yīng)設(shè)為A.0B.變量q3C.常數(shù)0且d3為變量D.任意非零常數(shù)答案：C解析：移動關(guān)節(jié)沿Zi軸平移，DH表中θ為常量0，d為關(guān)節(jié)變量。3.在ROS2中，下列命令可用于查看節(jié)點(diǎn)間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流拓?fù)涞氖茿.ros2nodelistB.ros2topicinfoC.ros2doctorD.ros2runrqt_graphrqt_graph答案：D解析：rqt_graph以圖形化方式展示節(jié)點(diǎn)與話題的訂閱發(fā)布關(guān)系。4.采用增量式PID控制舵輪轉(zhuǎn)向時(shí)，積分飽和現(xiàn)象會導(dǎo)致A.穩(wěn)態(tài)誤差增大B.超調(diào)量減小C.系統(tǒng)滯后減小D.執(zhí)行器進(jìn)入飽和區(qū)后響應(yīng)遲緩答案：D解析：積分項(xiàng)持續(xù)累加使輸出超限，退出飽和需較長時(shí)間，造成響應(yīng)滯后。5.激光SLAM中，占據(jù)柵格地圖的分辨率提高一倍，則地圖存儲空間約增加A.1倍B.2倍C.4倍D.8倍答案：C解析：二維柵格數(shù)量與分辨率平方成正比。6.在機(jī)器人操作系統(tǒng)安全規(guī)范中，符合ISO102181要求的緊急停止回路應(yīng)滿足A.單通道常閉B.雙通道冗余帶自檢C.軟件中斷即可D.僅需復(fù)位按鈕答案：B解析：標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定緊急停止須雙回路冗余并具備回路監(jiān)測。7.若麥克納姆輪平臺要實(shí)現(xiàn)原地逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，四輪輥?zhàn)臃较蚺c轉(zhuǎn)速關(guān)系正確的是A.對角輪同速同向B.對角輪同速反向C.四輪等速且對角反向D.四輪等速且相鄰反向答案：C解析：對角輪反向產(chǎn)生繞中心的力偶矩。8.使用YOLOv5n進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測時(shí)，降低輸入分辨率會直接導(dǎo)致A.mAP顯著上升B.推理延遲下降C.模型參數(shù)量減少D.錨框數(shù)量增加答案：B解析：分辨率降低，計(jì)算量減小，延遲下降，但mAP通常下降。9.在機(jī)器人倫理審查中，"可驗(yàn)證有益性"原則最先由哪份文件明確提出A.AsilomarAIPrinciplesB.EUAIActC.IEEE70002021D.UNESCORecommendation答案：A解析：2017年Asilomar原則第1條即提出"可驗(yàn)證有益性"。10.若直流電機(jī)額定電壓24V，空載電流0.3A，電樞電阻0.8Ω，則其堵轉(zhuǎn)電流約為A.7.5AB.15AC.30AD.60A答案：C解析：堵轉(zhuǎn)時(shí)反電動勢為零，I=U/R=24/0.8=30A。二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分，多選少選均不得分）11.關(guān)于機(jī)器人柔性執(zhí)行器（SEA）的特點(diǎn)，正確的有A.引入彈性元件提高力控精度B.可降低外部沖擊對齒輪箱的損傷C.固有剛度高于傳統(tǒng)諧波減速機(jī)D.便于實(shí)現(xiàn)能量回收E.控制帶寬一定高于剛性驅(qū)動答案：A、B、D解析：彈性元件使力信號可測，吸收沖擊，并具備被動儲能能力；帶寬通常低于剛性驅(qū)動。12.下列措施可有效降低視覺SLAM的累積漂移A.加入閉環(huán)檢測B.使用全局優(yōu)化框架C.提高幀率至500fpsD.引入IMU做松耦合E.采用魚眼鏡頭擴(kuò)大視場答案：A、B、D、E解析：閉環(huán)與全局優(yōu)化直接消除漂移；IMU提供短期高精度位姿；廣角增加特征冗余。單純提高幀率不直接降低漂移。13.在機(jī)器人遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)中，符合雙邊控制穩(wěn)定性的條件包括A.通信時(shí)延小于采樣周期B.采用無源控制理論設(shè)計(jì)C.波變量法保證無源D.主從端質(zhì)量慣量完全一致E.使用預(yù)測算法補(bǔ)償時(shí)延答案：B、C、E解析：無源理論與波變量可在時(shí)延下保持穩(wěn)定性；質(zhì)量慣量無需一致。14.關(guān)于強(qiáng)化學(xué)習(xí)在機(jī)器人抓取中的應(yīng)用，下列說法正確的有A.獎勵稀疏問題可用curiosity模塊緩解B.DDPG屬于onpolicy算法C.域隨機(jī)化可提高simtoreal遷移成功率D.使用HER可解決目標(biāo)變化下的策略泛化E.連續(xù)控制任務(wù)通常采用策略梯度而非Q學(xué)習(xí)答案：A、C、D、E解析：DDPG為offpolicy，B錯誤。15.機(jī)器人使用鋰離子電池組時(shí)，為延長循環(huán)壽命，應(yīng)避免A.每次充滿至4.2VB.長期存放于40°C環(huán)境C.放電截止電壓設(shè)為3.0VD.采用0.5C充電E.電量保持在10%以下長期靜置答案：A、B、E解析：高電壓、高溫、低電量靜置均加速老化；3.0V截止與0.5C充電屬常規(guī)操作。三、填空題（每空2分，共20分）16.若某SCARA機(jī)器人末端在基坐標(biāo)系下的齊次變換矩陣為T=[010350;100200;0010;0001]（單位mm），則其姿態(tài)為繞Z軸旋轉(zhuǎn)________度，位置矢量p=(________,________,________)mm。答案：90；350；200；0解析：旋轉(zhuǎn)子矩陣為[01;10]，對應(yīng)90°；最后一列前三個(gè)元素即位置。17.在機(jī)器人操作系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)A發(fā)布話題/cmd_vel，消息類型為geometry_msgs/Twist，若線速度x分量2m/s，角速度z分量0.5rad/s，則該消息在Python中的賦值語句為msg.linear.x=________；msg.angular.z=________。答案：2；0.518.某步進(jìn)電機(jī)步距角1.8°，驅(qū)動器采用32細(xì)分，則每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為________；若要求平臺以0.3m/s直線運(yùn)動，絲杠導(dǎo)程6mm，則脈沖頻率為________Hz。答案：6400；1600解析：360/1.832=6400；0.3m/s=300mm/s，300/66400=1600。19.在機(jī)器人抓取質(zhì)量檢測中，采用二指夾持力閉環(huán)控制，若期望夾持力10N，傳感器噪聲標(biāo)準(zhǔn)差0.1N，則3σ準(zhǔn)則下，力控穩(wěn)態(tài)誤差允許范圍±________N；若采用PID，積分增益Ki過大易引起________現(xiàn)象。答案：0.3；積分飽和或震蕩20.根據(jù)ISO9283，機(jī)器人位姿重復(fù)性測試需在額定負(fù)載與________速度下進(jìn)行，采樣點(diǎn)數(shù)不少于________，測試路徑為________形。答案：額定；30；立方體或Cubic四、判斷題（每題1分，共10分，正確寫"T"，錯誤寫"F"）21.在機(jī)器人視覺中，使用深度相機(jī)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)一定包含RGB信息。答案：F解析：部分ToF相機(jī)僅輸出深度。22.對于相同連桿長度，六自由度機(jī)械臂的可達(dá)工作體積一定大于四自由度。答案：F解析：自由度多不一定體積大，還與關(guān)節(jié)布置有關(guān)。23.在Gazebo中，若模型SDF文件未設(shè)置標(biāo)簽，則該link默認(rèn)質(zhì)量為零且靜止。答案：T解析：無inertial標(biāo)簽時(shí)，Gazebo視為靜態(tài)模型。24.機(jī)器人使用CAN總線通信時(shí)，終端電阻120Ω應(yīng)放置于總線兩端。答案：T25.強(qiáng)化學(xué)習(xí)中，PPO算法的剪切參數(shù)ε越大，策略更新越保守。答案：F解析：ε越大允許更大更新，保守性降低。26.采用RRT算法規(guī)劃的路徑一定比RRT短。答案：T解析：RRT通過重布線漸進(jìn)最優(yōu)。27.在機(jī)器人操作系統(tǒng)中，launch文件可以同時(shí)啟動多個(gè)節(jié)點(diǎn)并設(shè)置參數(shù)。答案：T28.對于相同減速比的諧波減速機(jī)，RV減速機(jī)的扭轉(zhuǎn)剛度通常更高。答案：T解析：RV采用擺線針輪，多齒嚙合，剛度大。29.機(jī)器人末端執(zhí)行器更換后，必須重新標(biāo)定工具坐標(biāo)系。答案：T30.在機(jī)器人焊接中，采用脈沖MIG比短路MIG飛濺更少，適合薄板鋁合金。答案：T五、簡答題（封閉型，每題6分，共18分）31.說明機(jī)器人采用阻抗控制與導(dǎo)納控制的核心區(qū)別，并給出各自適用的典型場景。答案：阻抗控制將末端運(yùn)動偏差作為輸入，輸出力，適用于高剛度、高精度力跟蹤場景如打磨；導(dǎo)納控制以接觸力為輸入，輸出修正運(yùn)動，適用于低慣量、需柔順交互場景如協(xié)作機(jī)器人拖動示教。核心區(qū)別在"輸入輸出"因果關(guān)系相反。32.列舉三種常見的機(jī)器人里程計(jì)誤差來源，并給出對應(yīng)的補(bǔ)償方法。答案：1.輪子打滑：采用視覺/IMU融合，或加入輪速異常檢測；2.輪胎周長變化：在線標(biāo)定半徑，溫度補(bǔ)償；3.軸間距誤差：出廠標(biāo)定并寫入配置文件，定期校準(zhǔn)。33.簡述激光雷達(dá)在玻璃幕墻環(huán)境中出現(xiàn)定位漂移的原因，并提出兩種工程解決方案。答案：玻璃對近紅外激光透射率高，導(dǎo)致回波弱或無效，特征稀疏，掃描匹配退化。方案：1.在玻璃表面貼啞光膜增加漫反射；2.融合IMU與視覺，采用多傳感器SLAM。六、開放型簡答題（每題8分，共16分）34.某工廠計(jì)劃部署50臺AMR組成集群，要求單小時(shí)吞吐量不少于1200箱，區(qū)域?yàn)?20m×80m，通道雙向?qū)挾?m。請從路徑規(guī)劃、交通管制、充電策略三方面提出系統(tǒng)級優(yōu)化思路，并給出可量化指標(biāo)。答案：路徑規(guī)劃：采用分層拓?fù)鋱D，主干道4m、次干道2m，動態(tài)加權(quán)A，擁堵系數(shù)實(shí)時(shí)反饋，目標(biāo)平均路徑長度≤180m。交通管制：基于時(shí)空reservation表，節(jié)點(diǎn)鎖定粒度1m×1m×2s，死鎖檢測采用銀行家算法，目標(biāo)沖突等待時(shí)間≤5s/次。充電策略：電量<30%觸發(fā)，引入排隊(duì)論模型，充電站12個(gè)雙槍快充，服務(wù)強(qiáng)度ρ=0.75，等待概率≤10%，目標(biāo)充電空閑率>20%。綜合指標(biāo)：通過離散事件仿真，驗(yàn)證50臺AMR在峰值箱率0.8箱/s下，吞吐量≥1220箱/h，平均任務(wù)周期≤5min。35.針對果蔬采摘機(jī)器人，設(shè)計(jì)一套基于深度學(xué)習(xí)的成熟度檢測方案，包括數(shù)據(jù)采集、標(biāo)注策略、模型選型、部署優(yōu)化與誤差處理，要求可在嵌入式GPU上達(dá)到10fps，檢測精度mAP≥0.85。答案：數(shù)據(jù)采集：分三個(gè)時(shí)段（早、中、晚）采集RGB與NIR圖像各8000張，涵蓋逆光、遮擋、雨滴情況；采用多角度環(huán)形支架，高度0.31.2m。標(biāo)注策略：成熟度分三級（未熟、適熟、過熟），使用多邊形細(xì)粒度標(biāo)注，并額外標(biāo)注遮擋屬性；采用雙人標(biāo)注+仲裁，一致性IoU>0.9。模型選型：YOLOv5s為骨干，引入CBAM注意力，通道剪枝40%，知識蒸餾由YOLOv5x教師模型指導(dǎo)，蒸餾溫度T=4。部署優(yōu)化：TensorRTINT8量化，緩存批量=4，使用CUDA流并行，NMS插件化，輸入分辨率640×640，單幀推理時(shí)間85ms。誤差處理：對連續(xù)5幀結(jié)果采用滑動窗口投票，若三級分類置信度均<0.6，觸發(fā)光譜傳感器輔助判別；夜間使用主動近紅外補(bǔ)光，光強(qiáng)150lux。指標(biāo)驗(yàn)證：在JetsonXavierNX上測試，mAP=0.87，幀率11.2fps，滿足要求。七、計(jì)算題（共30分）36.（8分）某差速移動機(jī)器人輪距L=0.4m，輪子半徑r=0.1m，要求以線速度v=1m/s、角速度ω=0.5rad/s沿圓弧行駛。求左右輪轉(zhuǎn)速（rpm）及行駛10s后的姿態(tài)變化（Δx,Δy,Δθ），初始位姿(0,0,0)。答案：vl=vωL/2=10.50.2=0.9m/svr=v+ωL/2=1+0.1=1.1m/snl=vl/(2πr)60=0.9/(0.2π)60≈85.9rpmnr=1.1/(0.2π)60≈105.0rpm轉(zhuǎn)彎半徑R=v/ω=2m10s弧長s=v10=10mΔθ=s/R=5radΔx=RsinΔθ=2sin5≈1.92mΔy=R(1cos5)≈2(10.2837)≈1.43m結(jié)果：nl≈86rpm，nr≈105rpm，位姿(1.92m,1.43m,5rad)。37.（10分）某伺服電機(jī)經(jīng)減速比i=50的諧波減速機(jī)驅(qū)動連桿，連桿質(zhì)量m=8kg，質(zhì)心距關(guān)節(jié)軸d=0.3m，減速機(jī)效率η=0.8，電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量Jm=0.0008kg·m2，連桿繞關(guān)節(jié)慣量Jl=0.72kg·m2。求等效到電機(jī)軸的總慣量Je；若電機(jī)在0.1s內(nèi)從0勻加速到3000rpm，求所需電磁轉(zhuǎn)矩Te（忽略摩擦）。答案：Je=Jm+Jl/(i2η)=0.0008+0.72/(25000.8)=0.0008+0.00036=0.00116kg·m2角加速度α=(30002π/60)/0.1=3141.6rad/s2Te=Jeα=0.001163141.6≈3.64N·m。38.（12分）機(jī)器人抓取金屬零件投入分揀箱，需計(jì)算最小夾持力防止滑落。已知：零件質(zhì)量m=2kg，重心距離夾持面垂直距離dc=0.05m，摩擦系數(shù)μ=0.4，重力加速度g=9.8m/s2，安全系數(shù)k=1.5，沖擊加速度a=3g。求單指最小正壓力Fn；若采用真空吸盤替代，吸盤直徑D=60mm，真空度70kPa，安全因數(shù)相同，驗(yàn)證是否滿足。答案：滑落條件：2μFn≥m(a+g)kFn≥29.8(3+1)1.5/(20.4)=29.841.5/0.8=147N單指Fn≥147/2=73.5N吸盤力F=π(D/2)20.710^5=π0.03270000≈198NFs=198/1.5=132N>mg(a/g+1)=29.84=78.4N，滿足。八、綜合應(yīng)用題（共41分）39.（20分）某四旋翼無人機(jī)需在GPS拒止的地下礦道完成巡檢，礦道寬5m、高4m，全長2km，存在多金屬支護(hù)導(dǎo)致磁干擾。請?jiān)O(shè)計(jì)一套自主導(dǎo)航與安全保障系統(tǒng)，要求：1.硬件拓?fù)鋱D與傳感器選型；2.狀態(tài)估計(jì)框架，給出數(shù)據(jù)融合流程圖與關(guān)鍵公式；3.路徑規(guī)劃與避障策略，確保與壁面距離≥1m；4.失效保護(hù)與返航邏輯；5.給出實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案與評價(jià)指標(biāo)。答案：1.硬件：采用IntelNUC+STM32雙控制器，傳感器包括16線激光雷達(dá)、雙目相機(jī)、IMU（ADIS16470）、UWB（Decawave）四基站、氣壓計(jì)、TOF測高。拓?fù)洌篘UC運(yùn)行ROS2，通過Ethernet連接雷達(dá)，USB3接相機(jī)，STM32采集IMU與電機(jī)PWM，UWB串口接入NUC。2.狀態(tài)估計(jì)：采用緊耦合LIO，誤差狀態(tài)卡爾曼濾波（ESKF），預(yù)測模型：δx=Fδx+w，F(xiàn)=[[ω×]I0;000;000]，觀測：激光掃描匹配給出相對位姿ΔT，更新協(xié)方差P=(IKH)P。3.路徑規(guī)劃：以前方30m激光點(diǎn)云構(gòu)建2.5D柵格（0.2m），采用SOTA版本SCP（SparseConditionalPaths）算法，約束與壁面距離≥1m，代價(jià)函數(shù)f=λ1length+λ2smooth+λ3risk，其中risk=Σexp(d/0.5)。局部避障用TimedElasticBand，重規(guī)劃周期100ms。4.失效保護(hù)：IMU異常方差>閾值觸發(fā)降落；UWB丟包率>30%切換至純LIO；電量<25%啟動返航，記錄最近安全點(diǎn)，采用Dubins路徑返回；通信中斷30s觸發(fā)自動懸停并聲光報(bào)警。5.實(shí)驗(yàn)：在150m試驗(yàn)礦道布置反光板作為真值，用全站儀測基準(zhǔn)。指標(biāo)：位置漂移<0.3%（450mm），平均速度1.5m/s，最小壁距1.2m，任務(wù)成功率>95%，緊急降落沖擊<0.5g。40.（21分）設(shè)計(jì)一款面向家庭場景的社交機(jī)器人，滿足老人陪護(hù)與遠(yuǎn)程醫(yī)療需求。要求：1.功能