2025年機(jī)器人技術(shù)專業(yè)畢業(yè)考試試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.工業(yè)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)建模中，采用標(biāo)準(zhǔn)DH參數(shù)法時(shí)，相鄰兩連桿的公共法線方向定義為（）。A.Z軸方向B.X軸方向C.Y軸方向D.關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸方向2.六自由度串聯(lián)機(jī)械臂的雅可比矩陣J的維度是（）。A.3×6B.6×6C.6×3D.4×43.激光SLAM中，回環(huán)檢測(cè)的主要目的是（）。A.提高局部地圖精度B.減少累計(jì)誤差C.優(yōu)化傳感器數(shù)據(jù)融合D.增強(qiáng)動(dòng)態(tài)障礙物識(shí)別4.以下哪種控制模式適用于機(jī)器人與環(huán)境接觸的裝配任務(wù)？（）A.位置控制B.力/位置混合控制C.速度控制D.軌跡跟蹤控制5.四足機(jī)器人穩(wěn)定行走的關(guān)鍵參數(shù)是（）。A.質(zhì)心投影點(diǎn)與支撐多邊形的關(guān)系B.關(guān)節(jié)扭矩上限C.足端與地面的摩擦系數(shù)D.傳感器采樣頻率6.卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）在機(jī)器人視覺中的典型應(yīng)用是（）。A.點(diǎn)云配準(zhǔn)B.目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別C.里程計(jì)誤差補(bǔ)償D.力覺信號(hào)濾波7.以下哪種驅(qū)動(dòng)方式最適合需要高精度、小體積的醫(yī)療機(jī)器人？（）A.液壓驅(qū)動(dòng)B.氣壓驅(qū)動(dòng)C.伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)D.形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)8.機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程中，慣性矩陣M(q)的物理意義是（）。A.關(guān)節(jié)摩擦力矩B.各連桿慣性對(duì)關(guān)節(jié)的耦合作用C.重力引起的力矩D.離心力與科里奧利力的綜合效應(yīng)9.強(qiáng)化學(xué)習(xí)在機(jī)器人自主決策中的核心問題是（）。A.狀態(tài)空間離散化B.獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)設(shè)計(jì)C.經(jīng)驗(yàn)回放機(jī)制D.策略網(wǎng)絡(luò)初始化10.協(xié)作機(jī)器人（Cobot）區(qū)別于傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵特性是（）。A.更高的負(fù)載自重比B.內(nèi)置力覺傳感器與碰撞檢測(cè)C.支持離線編程D.可擴(kuò)展的自由度配置二、填空題（每空1分，共20分）1.機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解中，當(dāng)處于奇異位形時(shí)，雅可比矩陣的行列式值為______，此時(shí)無法唯一確定關(guān)節(jié)變量解。2.多傳感器融合常用的方法包括卡爾曼濾波、______（概率圖模型）和深度學(xué)習(xí)方法。3.機(jī)器人位姿描述中，齊次變換矩陣的左上角3×3子矩陣表示______，最后一列前3個(gè)元素表示______。4.力控制的基本方法有阻抗控制和______，其中______通過調(diào)整機(jī)器人的力學(xué)特性（如剛度、阻尼）實(shí)現(xiàn)與環(huán)境的柔順交互。5.四旋翼無人機(jī)的飛行控制中，滾轉(zhuǎn)（Roll）運(yùn)動(dòng)由______和______電機(jī)的轉(zhuǎn)速差驅(qū)動(dòng)。6.工業(yè)機(jī)器人軌跡規(guī)劃分為______規(guī)劃和______規(guī)劃，前者處理路徑幾何形狀，后者處理時(shí)間與速度的分配。7.視覺SLAM的關(guān)鍵步驟包括特征提取、______、______和地圖構(gòu)建。8.機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS2）的核心通信機(jī)制是______（發(fā)布-訂閱模式）和______（服務(wù)-客戶端模式）。9.柔性機(jī)器人的典型材料包括______（如硅橡膠）和______（如形狀記憶聚合物）。10.智能機(jī)器人的“感知-決策-執(zhí)行”閉環(huán)中，決策層的典型算法有______（基于模型）和______（無模型，如強(qiáng)化學(xué)習(xí)）。三、簡(jiǎn)答題（每題8分，共40分）1.簡(jiǎn)述串聯(lián)機(jī)器人與并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及適用場(chǎng)景差異。2.解釋“機(jī)器人奇異位形”的定義，并列舉兩種常見的奇異位形類型（需結(jié)合機(jī)械臂實(shí)例說明）。3.對(duì)比激光SLAM與視覺SLAM的優(yōu)缺點(diǎn)，說明在室內(nèi)復(fù)雜光照環(huán)境下更適合哪種方案，為什么？4.闡述PID控制在機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服中的應(yīng)用原理，說明比例（P）、積分（I）、微分（D）環(huán)節(jié)各自的作用。5.分析多機(jī)器人協(xié)作中的“一致性問題”（ConsensusProblem），并舉例說明其在倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人系統(tǒng)中的具體表現(xiàn)。四、綜合分析題（每題15分，共30分）1.某工業(yè)機(jī)械臂需完成“從A點(diǎn)（0,0,0.5m）沿直線軌跡移動(dòng)到B點(diǎn)（0.3m,0.4m,0.5m）”的任務(wù)，末端執(zhí)行器速度要求為0.2m/s。已知機(jī)械臂DH參數(shù)如下表（單位：mm）：|連桿i|α(i-1)（°）|a(i-1)|d(i)|θ(i)（°）||-|-|--||--||1|0|0|400|q1||2|90|300|0|q2||3|0|250|0|q3|（1）建立機(jī)械臂基坐標(biāo)系到末端執(zhí)行器的齊次變換矩陣T3^0（需寫出推導(dǎo)過程）；（2）計(jì)算直線軌跡的時(shí)間規(guī)劃（假設(shè)加減速時(shí)間可忽略，勻速運(yùn)動(dòng)）；（3）若實(shí)際運(yùn)行中機(jī)械臂在接近B點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)，可能的原因有哪些？提出至少2種改進(jìn)措施。2.某服務(wù)機(jī)器人需在醫(yī)院環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，場(chǎng)景包含動(dòng)態(tài)障礙物（如移動(dòng)的病床、醫(yī)護(hù)人員）、玻璃門（易導(dǎo)致激光雷達(dá)誤判）、走廊（寬度1.2m）。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)其導(dǎo)航系統(tǒng)方案，要求：（1）列出所需的傳感器及選型依據(jù)；（2）說明定位與建圖（SLAM）的具體實(shí)現(xiàn)方法（需考慮動(dòng)態(tài)環(huán)境適配）；（3）設(shè)計(jì)路徑規(guī)劃策略（全局+局部），并提出應(yīng)對(duì)玻璃門誤判的解決方案。五、設(shè)計(jì)題（30分）設(shè)計(jì)一款家庭服務(wù)機(jī)器人的“自主充電”功能模塊，要求：（1）明確功能需求（如充電觸發(fā)條件、定位精度要求、對(duì)接成功率）；（2）設(shè)計(jì)硬件方案（需包含傳感器配置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)選型）；（3）設(shè)計(jì)軟件流程（從低電量檢測(cè)到充電完成的全流程，需包含感知、決策、控制環(huán)節(jié)）；（4）提出可靠性保障措施（如充電接口對(duì)準(zhǔn)誤差補(bǔ)償、環(huán)境干擾應(yīng)對(duì)策略）。答案一、單項(xiàng)選擇題1.B2.B3.B4.B5.A6.B7.C8.B9.B10.B二、填空題1.02.貝葉斯濾波（或粒子濾波）3.旋轉(zhuǎn)矩陣；位置向量4.力跟蹤控制；阻抗控制5.前；后（或左前與右后，具體依電機(jī)布局）6.路徑；時(shí)間7.特征匹配；位姿估計(jì)8.Topic；Service9.彈性體材料；智能材料10.模型預(yù)測(cè)控制（MPC）；策略梯度算法三、簡(jiǎn)答題1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：串聯(lián)機(jī)器人由連桿通過關(guān)節(jié)依次串聯(lián)，結(jié)構(gòu)開放，工作空間大；并聯(lián)機(jī)器人由多個(gè)分支鏈連接動(dòng)平臺(tái)與靜平臺(tái)，結(jié)構(gòu)封閉，剛度高。適用場(chǎng)景：串聯(lián)機(jī)器人適合大范圍作業(yè)（如焊接、噴涂）；并聯(lián)機(jī)器人適合高精度、高負(fù)載場(chǎng)景（如機(jī)床、醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人）。2.定義：奇異位形指機(jī)械臂雅可比矩陣秩下降的位形，導(dǎo)致末端無法沿某些方向運(yùn)動(dòng)或關(guān)節(jié)速度趨于無窮大。實(shí)例：①腕部奇異（如六軸機(jī)械臂腕關(guān)節(jié)三軸共線），導(dǎo)致末端旋轉(zhuǎn)自由度丟失；②邊界奇異（如機(jī)械臂伸展至工作空間邊緣），導(dǎo)致末端沿某方向無法移動(dòng)。3.優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比：激光SLAM精度高、受光照影響小，但難以識(shí)別透明/低反射率物體；視覺SLAM成本低、可獲取語(yǔ)義信息，但依賴光照且計(jì)算量大。室內(nèi)復(fù)雜光照選擇：優(yōu)先激光SLAM（或多傳感器融合）。因玻璃門等干擾可通過多回波激光雷達(dá)（同時(shí)接收反射與穿透信號(hào)）或結(jié)合視覺語(yǔ)義識(shí)別（如檢測(cè)玻璃門紋理）補(bǔ)償，而視覺在光照變化（如燈光開關(guān)）下易失效。4.原理：PID控制器通過誤差（設(shè)定值與實(shí)際值之差）的比例、積分、微分環(huán)節(jié)計(jì)算控制量，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器調(diào)整關(guān)節(jié)位置/速度。作用：P環(huán)節(jié)快速減小誤差；I環(huán)節(jié)消除穩(wěn)態(tài)誤差；D環(huán)節(jié)抑制超調(diào)、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。5.一致性問題：多機(jī)器人通過信息交互，使各自狀態(tài)（如位置、速度）收斂到一致值的過程。倉(cāng)儲(chǔ)應(yīng)用：多臺(tái)AGV需協(xié)作搬運(yùn)長(zhǎng)尺寸貨物時(shí)，需通過通信同步速度與方向，避免因速度不一致導(dǎo)致貨物傾斜或碰撞；或多機(jī)器人分揀時(shí)，需統(tǒng)一目標(biāo)貨架的分配策略，防止重復(fù)搬運(yùn)。四、綜合分析題1.（1）齊次變換矩陣推導(dǎo)：根據(jù)DH參數(shù)，各連桿變換矩陣：T1^0=Rot(z,q1)Trans(0,0,d1)=[cosq1,-sinq1,0,0][sinq1,cosq1,0,0][0,0,1,400][0,0,0,1]T2^1=Rot(x,α1)Trans(a1,0,0)Rot(z,q2)=[1,0,0,a1][0,cosα1,-sinα1,0][0,sinα1,cosα1,0][0,0,0,1]×[cosq2,-sinq2,0,0][sinq2,cosq2,0,0][0,0,1,0][0,0,0,1]因α1=90°，cosα1=0，sinα1=1，a1=300mm，故：T2^1=[cosq2,-sinq2,0,300cosq2][sinq2,cosq2,0,300sinq2][0,0,1,0][0,0,0,1]T3^2=Rot(x,α2)Trans(a2,0,0)Rot(z,q3)，α2=0°，a2=250mm，故：T3^2=[cosq3,-sinq3,0,250cosq3][sinq3,cosq3,0,250sinq3][0,0,1,0][0,0,0,1]總變換T3^0=T1^0×T2^1×T3^2，計(jì)算后末端位置（x,y,z）為：x=(300cosq2+250cosq3)cosq1y=(300cosq2+250cosq3)sinq1z=400mm（因d1=400mm，后續(xù)連桿d=0）（2）時(shí)間規(guī)劃：直線距離L=√[(0.3)^2+(0.4)^2]=0.5m，速度v=0.2m/s，時(shí)間t=L/v=2.5s。（3）振動(dòng)原因：①軌跡規(guī)劃加速度不連續(xù)（如梯形速度曲線在起點(diǎn)/終點(diǎn)加速度突變）；②機(jī)械臂剛度不足（如連桿細(xì)長(zhǎng)導(dǎo)致彈性變形）；③伺服系統(tǒng)增益參數(shù)不合適（如P參數(shù)過高引起振蕩）。改進(jìn)措施：①采用S型速度曲線（加速度連續(xù)）；②優(yōu)化連桿結(jié)構(gòu)（如增加筋板提高剛度）；③調(diào)整PID參數(shù)（降低P增益，增加D增益抑制振動(dòng)）。2.（1）傳感器選型：-激光雷達(dá)（16線或32線）：覆蓋360°環(huán)境，檢測(cè)動(dòng)態(tài)障礙物（如病床）；-深度相機(jī)（如IntelRealsenseD455）：獲取玻璃門的深度信息（區(qū)分透明與實(shí)體）；-IMU（9軸）：輔助定位，補(bǔ)償激光雷達(dá)運(yùn)動(dòng)畸變；-超聲波傳感器（前向）：近距離檢測(cè)玻璃門（利用聲波反射）；-碼盤：測(cè)量輪式移動(dòng)底盤的輪速，用于航位推算。（2）SLAM實(shí)現(xiàn)：采用多傳感器融合SLAM（激光+視覺+IMU）。激光SLAM（如Cartographer）構(gòu)建全局幾何地圖；視覺SLAM（如ORB-SLAM3）提取語(yǔ)義特征（如門牌號(hào)、走廊標(biāo)識(shí)）；IMU用于高頻位姿更新，抑制動(dòng)態(tài)障礙物（如行人）導(dǎo)致的激光點(diǎn)云異常。動(dòng)態(tài)環(huán)境適配：通過點(diǎn)云聚類檢測(cè)移動(dòng)點(diǎn)（如速度超過閾值的點(diǎn)），在地圖構(gòu)建時(shí)過濾；視覺前端增加運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)（如光流法），排除動(dòng)態(tài)特征點(diǎn)。（3）路徑規(guī)劃策略：-全局規(guī)劃：基于A算法或Dijkstra算法，在靜態(tài)地圖（排除動(dòng)態(tài)障礙物）中生成從起點(diǎn)到目標(biāo)的最優(yōu)路徑；-局部規(guī)劃：采用動(dòng)態(tài)窗口法（DWA），結(jié)合激光雷達(dá)實(shí)時(shí)檢測(cè)的動(dòng)態(tài)障礙物（如移動(dòng)病床），調(diào)整局部速度與方向；-玻璃門誤判應(yīng)對(duì)：激光雷達(dá)切換多回波模式（同時(shí)接收直接反射與穿透反射波），結(jié)合深度相機(jī)的深度信息（玻璃門深度與背景一致），或通過視覺識(shí)別玻璃門的邊緣（如反光紋理），在局部規(guī)劃中標(biāo)記為可通行區(qū)域。五、設(shè)計(jì)題（示例）1.功能需求：-觸發(fā)條件：電池電量＜20%時(shí)自動(dòng)觸發(fā)充電；-定位精度：充電接口對(duì)準(zhǔn)誤差≤5mm（X/Y方向），角度誤差≤3°；-對(duì)接成功率：≥99%（正常光照、無遮擋環(huán)境）。2.硬件方案：-傳感器：①激光雷達(dá)（16線）：用于環(huán)境感知與充電樁定位；②紅外傳感器（充電樁端發(fā)射，機(jī)器人端接收）：近距離精確定位；③力傳感器（安裝于充電接口）：檢測(cè)接觸力，防止硬碰撞；④電池管理模塊（BMS）：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電量。-執(zhí)行機(jī)構(gòu)：輪式移動(dòng)底盤（差速驅(qū)動(dòng)，精度±2mm）；機(jī)械臂（2自由度，用于微調(diào)充電接口姿態(tài)）。3.軟件流程：①低電量檢測(cè)：BMS發(fā)送電量信號(hào)至主控，觸發(fā)充電任務(wù)；②全局定位：通過激光SLAM確定機(jī)器人與充電樁的相對(duì)位置（全局地圖中預(yù)存充電樁坐標(biāo)）；③導(dǎo)航至充電區(qū)域：全局路徑規(guī)劃（A算法）→局部避障（DWA）→到達(dá)充電樁前1m區(qū)域；④精確定位：切換紅外傳感器，獲取充電樁接口的X/Y偏移與角度偏