機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試測(cè)試試題及答案考試時(shí)長(zhǎng)：120分鐘滿分：100分考核對(duì)象：機(jī)器人工程、自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)學(xué)生及行業(yè)從業(yè)者題型分值分布：-判斷題（10題，每題2分）總分20分-單選題（10題，每題2分）總分20分-多選題（10題，每題2分）總分20分-案例分析（3題，每題6分）總分18分-論述題（2題，每題11分）總分22分總分：100分---一、判斷題（每題2分，共20分）1.機(jī)器人控制系統(tǒng)中的PID控制器只能用于位置控制，不能用于速度或力矩控制。2.機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解通常存在唯一解。3.CAN總線通信協(xié)議在機(jī)器人控制系統(tǒng)中主要用于高速數(shù)據(jù)傳輸。4.機(jī)器人的示教編程屬于離線編程的一種形式。5.機(jī)器人的傳感器標(biāo)定是為了消除系統(tǒng)誤差。6.機(jī)器人的關(guān)節(jié)型機(jī)器人比輪式機(jī)器人更容易實(shí)現(xiàn)高精度定位。7.機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解是指從關(guān)節(jié)角度計(jì)算末端位姿的過程。8.機(jī)器人的力控系統(tǒng)通常用于裝配任務(wù)。9.機(jī)器人的視覺系統(tǒng)可以通過單目攝像頭實(shí)現(xiàn)三維重建。10.機(jī)器人的控制系統(tǒng)必須具備故障診斷功能。二、單選題（每題2分，共20分）1.下列哪種控制算法適用于機(jī)器人的軌跡跟蹤控制？（）A.P控制B.PID控制C.LQR控制D.MPC控制2.機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解問題在數(shù)學(xué)上屬于（）問題。A.線性方程組B.非線性方程組C.微分方程D.離散數(shù)學(xué)3.機(jī)器人控制系統(tǒng)中最常用的通信協(xié)議是（）。A.RS-485B.CANC.EthernetD.USB4.機(jī)器人的示教編程主要適用于（）場(chǎng)景。A.復(fù)雜軌跡任務(wù)B.簡(jiǎn)單重復(fù)任務(wù)C.高精度測(cè)量任務(wù)D.力控任務(wù)5.機(jī)器人傳感器標(biāo)定的主要目的是（）。A.提高傳感器精度B.消除系統(tǒng)誤差C.增強(qiáng)傳感器抗干擾能力D.降低傳感器成本6.機(jī)器人的關(guān)節(jié)型機(jī)器人比輪式機(jī)器人（）優(yōu)勢(shì)。A.運(yùn)動(dòng)速度更快B.定位精度更高C.適應(yīng)地形能力更強(qiáng)D.能量效率更高7.機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解是指（）。A.從關(guān)節(jié)角度計(jì)算末端位姿B.從末端位姿計(jì)算關(guān)節(jié)角度C.機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度的計(jì)算D.機(jī)器人運(yùn)動(dòng)力的計(jì)算8.機(jī)器人的力控系統(tǒng)通常用于（）任務(wù)。A.精密裝配B.快速搬運(yùn)C.遠(yuǎn)程操作D.自動(dòng)焊接9.機(jī)器人的視覺系統(tǒng)可以通過（）實(shí)現(xiàn)三維重建。A.單目攝像頭B.雙目攝像頭C.紅外傳感器D.超聲波傳感器10.機(jī)器人控制系統(tǒng)中，故障診斷的主要目的是（）。A.預(yù)防故障發(fā)生B.快速定位故障原因C.提高系統(tǒng)可靠性D.降低系統(tǒng)成本三、多選題（每題2分，共20分）1.機(jī)器人控制系統(tǒng)中常用的傳感器包括（）。A.位置傳感器B.力矩傳感器C.視覺傳感器D.接觸傳感器E.溫度傳感器2.機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解問題可能存在（）情況。A.無解B.唯一解C.多解D.無窮多解E.線性解3.機(jī)器人控制系統(tǒng)中的通信協(xié)議需要滿足（）要求。A.實(shí)時(shí)性B.可靠性C.抗干擾性D.高帶寬E.低延遲4.機(jī)器人的示教編程通常包括（）步驟。A.示教B.編程C.校驗(yàn)D.執(zhí)行E.優(yōu)化5.機(jī)器人傳感器標(biāo)定的方法包括（）。A.直接標(biāo)定法B.間接標(biāo)定法C.自標(biāo)定法D.外標(biāo)定法E.內(nèi)標(biāo)定法6.機(jī)器人的關(guān)節(jié)型機(jī)器人比輪式機(jī)器人（）優(yōu)勢(shì)。A.定位精度更高B.運(yùn)動(dòng)速度更快C.適應(yīng)地形能力更強(qiáng)D.能量效率更高E.可控性更強(qiáng)7.機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解通常用于（）場(chǎng)景。A.軌跡規(guī)劃B.運(yùn)動(dòng)控制C.逆運(yùn)動(dòng)學(xué)D.機(jī)器人仿真E.機(jī)器人設(shè)計(jì)8.機(jī)器人的力控系統(tǒng)通常用于（）任務(wù)。A.精密裝配B.物體抓取C.快速搬運(yùn)D.遠(yuǎn)程操作E.自動(dòng)焊接9.機(jī)器人的視覺系統(tǒng)可以通過（）實(shí)現(xiàn)三維重建。A.單目攝像頭B.雙目攝像頭C.紅外傳感器D.超聲波傳感器E.激光雷達(dá)10.機(jī)器人控制系統(tǒng)中，故障診斷的方法包括（）。A.狀態(tài)監(jiān)測(cè)B.數(shù)據(jù)分析C.邏輯推理D.硬件檢測(cè)E.軟件診斷四、案例分析（每題6分，共18分）案例1：某工業(yè)機(jī)器人需要完成從A點(diǎn)到B點(diǎn)的直線運(yùn)動(dòng)，已知機(jī)器人基坐標(biāo)系原點(diǎn)在地面，X軸指向水平方向，Y軸指向垂直方向，Z軸指向豎直向上。機(jī)器人末端執(zhí)行器在A點(diǎn)的坐標(biāo)為（1,2,3），在B點(diǎn)的坐標(biāo)為（4,5,6）。請(qǐng)計(jì)算機(jī)器人末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，并說明計(jì)算過程。案例2：某工業(yè)機(jī)器人需要完成抓取任務(wù)，已知機(jī)器人末端執(zhí)行器需要抓取的物體重量為10kg，抓取力需要達(dá)到物體重量的1.5倍，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)力控系統(tǒng)，并說明設(shè)計(jì)思路。案例3：某工業(yè)機(jī)器人需要完成裝配任務(wù)，已知裝配過程中需要精確控制機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制方案，并說明設(shè)計(jì)思路。五、論述題（每題11分，共22分）論述1：請(qǐng)論述機(jī)器人控制系統(tǒng)中PID控制器的優(yōu)缺點(diǎn)，并說明如何改進(jìn)PID控制器的性能。論述2：請(qǐng)論述機(jī)器人控制系統(tǒng)中傳感器標(biāo)定的意義，并說明常見的傳感器標(biāo)定方法及其優(yōu)缺點(diǎn)。---標(biāo)準(zhǔn)答案及解析一、判斷題1.×（PID控制器可用于位置、速度和力矩控制）2.×（運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解可能存在無解、多解或唯一解）3.×（CAN總線通信協(xié)議適用于中低速數(shù)據(jù)傳輸）4.×（示教編程屬于在線編程）5.√6.×（輪式機(jī)器人比關(guān)節(jié)型機(jī)器人更容易實(shí)現(xiàn)高精度定位）7.√8.√9.×（單目攝像頭無法實(shí)現(xiàn)三維重建）10.√二、單選題1.B2.B3.B4.A5.B6.B7.A8.A9.B10.B三、多選題1.A,B,C,D2.A,B,C,D3.A,B,C,D,E4.A,B,C,D,E5.A,B,C,D,E6.A,E7.A,B,D,E8.A,B,D,E9.B,E10.A,B,C,D,E四、案例分析案例1：計(jì)算過程：1.計(jì)算機(jī)器人末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解需要使用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解公式，根據(jù)基坐標(biāo)系和末端執(zhí)行器的坐標(biāo)關(guān)系，可以得到以下方程組：\[x=f_1(q_1,q_2,q_3,q_4)\]\[y=f_2(q_1,q_2,q_3,q_4)\]\[z=f_3(q_1,q_2,q_3,q_4)\]其中，\(q_1,q_2,q_3,q_4\)為機(jī)器人關(guān)節(jié)角度。2.通過代入A點(diǎn)和B點(diǎn)的坐標(biāo)，可以得到以下方程組：\[1=f_1(q_1,q_2,q_3,q_4)\]\[2=f_2(q_1,q_2,q_3,q_4)\]\[3=f_3(q_1,q_2,q_3,q_4)\]\[4=f_1(q_1,q_2,q_3,q_4)\]\[5=f_2(q_1,q_2,q_3,q_4)\]\[6=f_3(q_1,q_2,q_3,q_4)\]3.通過求解上述方程組，可以得到機(jī)器人關(guān)節(jié)角度的值，從而完成運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解。案例2：設(shè)計(jì)思路：1.設(shè)計(jì)力控系統(tǒng)需要考慮機(jī)器人末端執(zhí)行器的力矩和位置控制，可以使用力控伺服電機(jī)作為執(zhí)行器。2.通過傳感器（如力矩傳感器）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的受力情況，并根據(jù)受力情況調(diào)整電機(jī)輸出，從而實(shí)現(xiàn)力控。3.設(shè)計(jì)控制算法時(shí)，可以使用PID控制器或LQR控制器，以實(shí)現(xiàn)精確的力控。4.系統(tǒng)需要具備故障診斷功能，以防止因力矩過大導(dǎo)致機(jī)器人損壞。案例3：設(shè)計(jì)思路：1.設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制方案需要考慮機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)控制，可以使用運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解算法計(jì)算關(guān)節(jié)角度。2.通過傳感器（如編碼器）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人關(guān)節(jié)角度，并根據(jù)實(shí)際角度與目標(biāo)角度的差值調(diào)整電機(jī)輸出，從而實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)控制。3.設(shè)計(jì)控制算法時(shí)，可以使用PID控制器或LQR控制器，以實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)控制。4.系統(tǒng)需要具備故障診斷功能，以防止因運(yùn)動(dòng)控制不當(dāng)導(dǎo)致機(jī)器人損壞。五、論述題論述1：PID控制器的優(yōu)缺點(diǎn)：-優(yōu)點(diǎn)：1.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。2.參數(shù)整定方法成熟，適用于多種控制場(chǎng)景。3.對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感，魯棒性強(qiáng)。-缺點(diǎn)：1.難以處理非線性系統(tǒng)。2.對(duì)高頻噪聲敏感。3.難以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。改進(jìn)PID控制器性能的方法：1.引入前饋控制，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。2.使用自適應(yīng)PID控制，以適應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)變化。3.使用模糊PID控制，以提高控制精度。論述2：傳感器標(biāo)定的意義：-提高傳感器精度，確保機(jī)器人控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。-消除系統(tǒng)誤差，提高機(jī)器人控制系統(tǒng)的魯棒性。-優(yōu)化機(jī)器人控制系統(tǒng)的性能，提高機(jī)器人控制效率。常見的傳感器標(biāo)定方法及其優(yōu)缺點(diǎn)：-直接標(biāo)定法：-優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)