关于“全国青少年机器人技术等级考试”的问与答

关于“全国青少年机器人技术等级考试”的问与答说起青少年机器人技术等级技术考试，很多小伙伴或许有些迷茫：为什么要考机器人等级？机器人等级考试考什么？需要具备什么样的基础？就考生和家长关心的问题作简要的问答。

1、请介绍一下为什么举办青少年机器人技术等级考试？
答：国务院总理李克强在政府工作报告中提出，中国推动产业结构迈向中高端，要实施“中国制造2025”,坚持创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展,加快从制造大国转向制造强国。

机器人技术是当今全球工业现代化进程中必不可少的关键技术。

无论是“工业4.0”还是“中国制造2025”，都离不开机器人技术的研发、应用和推广，其根本就是对相关人才的需求。

举办机器人等级技术考试，就是要让更多青少年了解机器人发展趋势、掌握机器人基础技术。

目前，各个高校已陆续设立机器人有关专业和院系，在选拔人才方面也可能给予明显的倾斜。

很多中小学也在青少年群体中，及早准备、提前布局，打造具有相关理论知识、技术能力和创造能力的机器人青年群体。

2、青少年机器人技术等级考试与其他计算机类考试有什么不同？
答：机器人技术是融合机械、电子、计算机、智能控制、互联网、通信、人工智能等诸多技术的生态综合体，是培养综合性的优质课程。

激发和培养青少年学习现代机器人技术的热情和兴趣，适应我国青少年的认知心理和水平，从力学、机械原理、电子信息和软件技术的入门实践出发，引导青少年建立工程化、系统化的逻辑思维，青少年机器人技术等级考试具有科普性、趣味性和实践性等特点。

3、请介绍一下考试形式？
答：考试设置一至六级，与中国电子学会专业技术人员水平评价体系相衔接。

每个级别两科，一科理论，一科实操。

理论部分实行全国统考，通过在线网络考试，实操部分通过现场制作加现场考评形式。

科目成绩达到合格线，即可获得相应证书。

二级科目获证条件是，一级科目成绩达到合格线（理论+实操），并已经（或同时）获得一级相关证书；三级科目获证条件是，二级科目成绩达到合格（理论+实操），并已经（或同时）获得二级相应证书。

4、请问考试内容都包括哪些？？
答：考试内容不是按照学校要求设定，而是从制作机器人所需要的技能和知识，以及国内机器人教育的普及情况而确定，主要以实践应用能力为主，能力要求逐级递增。

以一级为例，实践部分考生需要了解基本结构认知，知道杠杆、轮轴、滑轮、斜面等六种简单机械原理，能够区分省力杠杆和费力杠杆等。

到了三级，则要能够完成简单的串联、并联电路，搭建简单的环境状态检测感应器等等。

六级则要求考生能够搭建大型复杂机器人，并注重人工智能等。

5、颁发考试合格证的单位权威吗？有哪些优势？
答：中国电子学会是工信部直属事业单位，业务指导单位是中国科协。

全国青少年机器人技术等级考试指导单位是工信部和中国科协，等级考试证书由中国电子学会颁发。

中国电子协会拥有全球知名的国家级机器人专业品牌（世界机器人大会-WRC）；并以强大的学术、技术、专家、渠道资源承担着中国机器人相关团体标准的制定和发布职能；承担着大量电子信息专业技术人员的水平评价工作。

专家团队包括来自于中国电子学会标准认证与应用推广中心、北京大学、清华大学、北京航空航天大学、北京邮电大学、哈尔滨工业大学、卡耐基梅隆机器人学院以及Microsoft、ARM、Arduino、VEX等30余位来自机器人教育及科研机构的专家组成。

标准设置符合STEM青少年科技教育和创新力开发的最新理念与层级分类，不仅适用于对青少年机器人综合技术素养的考评，也对开展青少年科技教育与科普具有重要指导意义。

习题1
1 简述工业机器人的定义。

“工业机器人是一种可以反复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或者为了执行不同的任务而具有可改变的和可编程动作的专门系统”。

机器人是指代替原来由人直接或间接作业的自动化机械。

2.什么是自由度？
答:人们把构建相对于参考系具有的独立运动参数的数目称为自由度。

3.机器人技术参数有哪些？各参数的意义是什么？
答:机器人技术参数有:自由度、精度、工作范围、速度、承载能力
1）自由度：是指机器人所具有的独立坐标轴的数目，不包括手爪（末端操作器）的开合自由度。

在三维空间里描述一个物体的位置和姿态需要六个自由度。

但是，工业机器人的自由度是根据其用途而设计的，也可能小于六个自由度，也可能大于六个自由度。

2）精度：工业机器人的精度是指定位精度和重复定位精度。

定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。

重复定位精度是指机器人重复定位其手部于同一目标位置的能力，可以用标准偏差这个统计量来表示，它是衡量一列误差值的密集度（即重复度）。

3）工作范围：是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫工作区域。

4）速度；速度和加速度是表明机器人运动特性的主要指标。

5)承载能力：是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。

承载能力不仅取决于负载的质量，而且还与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。

为了安全起见，承载能力这一技术指标是指高速运行时的承载能力。

通常，承载能力不仅指负载，而且还包括机器人末端操作器的质量
6. 何谓轨迹规划？简述轨迹规划的方法并说明其特点。

答：机器人的轨迹泛指工业机器人在运动过程中的运动轨迹，即运动点位移，速度和加速度。

轨迹的生成一般是先给定轨迹上的若干个点，将其经运动学反解映射到关节空间，对关节空间中的相应点建立运动方程，然后按这些运动方程对关节进行插值，从而实现作业空间的运动要求，这一过程通常称为轨迹规划.
（1）示教—再现运动。

这种运动由人手把手示教机器人，定时记录各关节变量，得到沿路径运动时各关节的位移时间函数q(t)；再现时，按内存中记录的各点的值产生序列动作。

（2）关节空间运动。

这种运动直接在关节空间里进行。

由于动力学参数及其极限值直接在关节空间里描述，所以用这种方式求最短时间运动很方便.
（3）空间直线运动。

这是一种直角空间里的运动，它便于描述空间操作，计算量小，适宜简单的作业。

（4）空间曲线运动。

这是一种在描述空间中用明确的函数表达的运动。

2.机器人常用的机身和臂部的配置型式有哪些？
答：目前常用的有如下几种形式：(1) 横梁式。

机身设计成横梁式，用于悬挂手臂部件，具有占地面积小，能有效地利用空间，直观等优点。

(2) 立柱式。

多采用回转型、俯仰型或屈伸型的运动型式，一般臂部都可在水平面内回转，具有占地面积小而工作范围大的特点。

(3) 机座式。

可以是独立的、自成系统的完整装置，可随意安放和搬动。

也可以具有行走机构，如沿地面上的专用轨道移动，以扩大其活动范围。

(4) 屈伸式。

臂部由大小臂组成，大小臂间有相对运动，称为屈伸臂，可以实现平面运动，也可以作空间运动。

4.机器人控制系统的基本单元有哪些？
答;构成机器人控制系统的基本要素包括：(1) 电动机，提供驱动机器人运动的驱动力。

(2) 减速器，为了增加驱动力矩、降低运动速度。

(3) 驱动电路，由于直流伺服电动机或交流伺服电动机的流经电流较大，机器人常采用脉冲宽度调制（PWM）方式进行驱动。

(4) 运动特性检测传感器，
用于检测机器人运动的位置、速度、加速度等参数。

(5) 控制系统的硬件，以计算机为基础，采用协调级与执行级的二级结构。

(6) 控制系统的软件，实现对机器人运动特性的计算、机器人的智能控制和机器人与人的信息交换等功能。

1.2 机器人应具有哪三大特征？1、拟人功能 2可编程3、通用性
6. 机器人手腕有几种？试述每种手腕结构。

答：机器人的手臂按结构形式分可分为单臂式，双臂式及悬挂式按手臂的运动形式区分，手臂有直线运动的。

如手臂的伸缩，升降及横向移动，有回转运动的如手臂的左右回转上下摆动有复合运动如直线运动和回转运动的组合。

2直线运动的组合2回转运动的组合。

手臂回转运动机构，实现机器人手臂回转运动的机构形式是多种多样的，常用的有叶片是回转缸，齿轮转动机构，链轮传动和连杆机构手臂俯仰运动机构，一般采用活塞油（气）缸与连杆机构联用来实现手臂复合运动机构，多数用于动作程度固定不变的专用机器人。

并联机器人特点：
1.6 直角坐标式机器人特点？
其优点是刚度好，多做成龙门式或框架式结构，位置精度高、运动学求解简单、控制无耦合、控制简单。

但其结构较庞大，动作范围小、运动灵活性较差且占地面积较大。

1.2 工业机器人四大部分？
机器人机械系统、驱动系统、控制系统、感知系统。

1.4 人的手臂（包括肩、肘、腕）有几个自由度？
人的手臂(大臂、小臂、手腕)共有七个自由度
2.机器人学主要包含哪些研究内容？
机器人研究的基础内容有以下几方面：(1) 空间机构学；(2) 机器人运动学；(3) 机器人静力学；(4) 机器人动力学；(5) 机器人控制技术；(6) 机器人传感器；(7) 机器人语言。

工业机器人对臂部设计有什么基本要求？答：（1）手臂应具有足够的承载能力和刚度。

（2）导向性要好。

（3）重量和转动惯量要小。

（4）运动要平稳、定位精度要高。

9. 速度雅克比矩阵
速度雅克比矩阵是一个把关节速度矢量变换为机器人手爪相对基坐标即固定坐标的广义速度矢量 v的变换矩阵。

10.力雅可比矩阵
在机器静力计算中把手部端点力矢量τ的变换矩阵。