2025年大学第四学年（机器人建模与仿真）仿真分析能力测试试题及答案.doc

2025年大学第四学年（机器人建模与仿真）仿真分析能力测试试题及答案

（考试时间：90分钟 满分100分）
班级______ 姓名______

第I卷（选择题 共30分）
答题要求：本大题共10小题，每小题3分。在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的。

1. 机器人建模中，关于运动学模型，以下说法正确的是
A. 只考虑机器人的位置变化
B. 需考虑机器人各关节的运动及整体姿态
C. 与动力学模型完全相同
D. 仅针对简单机器人有效
2. 在机器人动力学仿真中，计算关节驱动力矩时，不需要考虑的因素是
A. 机器人的质量分布
B. 关节的摩擦系数
C. 机器人的初始位置
D. 机器人的运动速度
3. 对于机器人的碰撞检测仿真，常用的方法是
A. 基于传感器数据直接判断
B. 通过运动学模型预测碰撞
C. 利用动力学方程计算碰撞力
D. 构建碰撞检测算法模型
4. 机器人建模与仿真中，运动学逆解的作用是
A. 根据末端执行器位置求关节角度
B. 确定机器人的运动轨迹
C. 分析机器人的动力学特性
D. 优化机器人的结构设计
5. 关于机器人仿真环境的搭建，以下错误的是
A. 需包含机器人模型
B. 要设置合适的物理参数
C. 不需要考虑环境因素
D. 应具备可视化界面
6. 在机器人动力学仿真中，为了提高仿真精度，可采取的措施是
A. 简化模型结构
B. 增加仿真时间步长
C. 精确计算各物理参数
D. 减少传感器数量
7. 机器人建模时，关于坐标系的建立，以下正确的是
A. 只需建立全局坐标系
B. 关节坐标系可有可无
C. 要合理确定各坐标系的关系
D. 坐标系对仿真无影响
8. 对于机器人路径规划仿真，常用的算法有
A. A算法
B. 牛顿迭代法
C. 高斯消元法
D. 冒泡排序法
9. 在机器人仿真分析中，评估机器人性能的指标不包括
A. 运动速度
B. 负载能力
C. 编程语言熟练程度
D. 定位精度
10. 机器人建模与仿真中，关于模型验证，以下说法错误的是
A. 与实际机器人测试结果对比
B. 检查模型逻辑是否正确
C. 不需要考虑边界条件
D. 验证模型参数的合理性

第II卷（非选择题 共70分）
11. （10分）简述机器人建模的主要步骤及每个步骤的关键要点。
12. （15分）在机器人动力学仿真中，阐述如何建立动力学方程以及求解关节驱动力矩。
13. （15分）举例说明机器人碰撞检测仿真在实际应用中的重要性，并描述一种常用的碰撞检测算法。
14. （15分）材料：某机器人在进行复杂任务时，出现了运动轨迹偏差的问题。通过仿真分析发现，是运动学模型中的参数设置不合理导致。已知该机器人有6个关节，其运动学模型基于D-H参数法建立。请分析可能是哪些D-H参数设置错误影响了运动轨迹，并提出改进措施。
15. （15分）材料：某企业计划引入一款新的工业机器人，需要对其进行仿真分析以评估是否符合生产需求。已知该机器人的工作半径为1.5米，负载能力为10千克，重复定位精度为±0.05毫米。请根据这些参数，结合机器人仿真分析的相关知识，阐述如何进行全面评估。

答案：
1. B
2. C
3. D
4. A
5. C
6. C
7. C
8. A
9. C
10. C

11. 机器人建模主要步骤及关键要点：首先是确定机器人的结构，明确各部件组成及连接方式，关键在于准确描述其几何形状和拓扑结构。接着建立坐标系，合理确定全局坐标系、关节坐标系等及其相互关系，确保坐标定义清晰准确用于后续分析。然后确定运动学参数，如关节运动范围、连杆长度等，参数取值要符合实际机器人性能。最后建立运动学和动力学模型，运动学模型要能准确描述位置和姿态关系，动力学模型要精确计算受力和运动关系。
12. 建立机器人动力学方程：先对机器人各部件进行受力分析，考虑重力、惯性力、摩擦力等。根据牛顿第二定律和刚体动力学原理，结合机器人的运动学关系，推导出包含关节力、力矩和运动参数的方程。求解关节驱动力矩：利用拉格朗日方程等方法，将动力学方程转化为便于求解的形式。通过已知的机器人运动状态、质量分布、关节摩擦等参数，代入方程求解出每个关节所需的驱动力矩，以实现对机器人运动的精确控制。
13. 例如在汽车制造中，机器人操作零部件时，碰撞检测仿真很重要。若发生碰撞，可能损坏零部件、机器人甚至造成安全事故。常用的碰撞检测算法如包围盒算法，通过为机器人各部件构建简单几何包围盒，如长方体。在仿真过程中，实时检测这些包围盒是否相交，若相交则判定可能发生碰撞，及时发出警报并采取措施避免碰撞，保障机器人运行安全和任务顺利进行。
14. 可能是关节长度参数设置错误，导致连杆实际长度与模型不符，影响末端执行器位置。或者关节扭转角度参数有误，使关节旋转方向和角度偏差，改变了机器人姿态。改进措施：重新精确测量各关节实际长度，修正D-H参数中的连杆长度值。使用高精度测量设备确定关节初始扭转角度，校准D-H参数中的扭转角度参数，确保运动学模型准确反映机器人实际运动，消除轨迹偏差。
15. 首先根据工作半径，在仿真环境中绘制机器人可到达的工作区域，评估是否能覆盖生产所需的空间范围。对于负载能力，设置不同重量的虚拟负载，运行仿真，查看机器人在各种工况下的运动状态，是否能稳定承载10千克负载完成任务。针对重复定位精度，多次运行机器人到相同目标位置的仿真，统计位置偏差数据，与±0.05毫米的精度要求对比。综合分析这些方面，全面评估机器人是否符合生产需求。