本技术属于复合材料成型工艺的自动化技术，具体涉及复材自动铺放成型工艺中的机器人高精度位姿估计方法。
背景技术：
1、复合材料铺放成型自动化技术在航空航天领域内已成为重要的碳纤维复合材料加工方式，将机器人应用于复合材料成型工艺自动化领域，不仅提高了设备的柔性，还提高了生产的适应性，因此机器人在复合材料成型领域得到了广泛的应用。
2、然而由于机器人绝对定位精度差，导致复合材料成型工艺过程中存在线型偏移、良品率低及产品性能缺陷等问题；为了克服这些问题，目前常用的方法为控制机器人对目标进行触碰标定，但该标定方法依赖人眼校准，具有不确定性高、精度差等问题。
技术实现思路
1、本技术的目的是针对工艺机器人提供一种复材自动铺放成型工艺中的高精度位姿估计方法，用以提高铺放工艺成型质量，解决复合材料成型工艺过程中存在线型偏移、良品率低及产品性能缺陷等问题。
2、为了实现上述任务，本技术采用的技术方案是：
3、一种复材自动铺放成型工艺中的机器人高精度位姿估计方法，包括：
4、布置机器人系统、视觉系统以及标定板，其中视觉系统的相机通过末端法兰盘安装至机器人系统的末端执行器上，标定板放置在相机视野范围内；上位机连接机器人系统与视觉系统，同步采集机器人系统的关节角度及视觉系统的视觉标定数据，构建机器人系统构建坐标转换关系，并计算相机的内外参以及机器人末端相对于机器人坐标系的转换矩阵；
5、根据机器人末端执行器及相对位姿关系建立手眼标定方程，计算机器人定位矩阵及手眼矩阵的初值解，将相机标定像素点与世界坐标系下的三维点的最小重投影误差作为成本函数的值，通过对成本函数最小化得到优化后的机器人定位矩阵；
6、使用激光轮廓仪对目标模具进行扫描建模得到目标模具点云，将目标模具点云利用优化得到的机器人定位矩阵转换至机器人坐标系下，从而使得机器人系统能准确获知与模具之间的位姿关系，之后再利用目标模具建立真实模型进行机器人系统的工作规划。
7、进一步地，所述构建机器人系统构建坐标转换关系，包括：
8、
9、式中，为相机到世界坐标系下的转换矩阵；为相机到末端法兰盘的转换矩阵，为末端法兰盘到机器人坐标系的转换矩阵，为机器人基坐标系到世界坐标的转换矩阵，也即机器人定位矩阵。
10、进一步地，所述机器人系统中的机器人为具有六关节的六自由度机器人；所述机器人末端相对于机器人坐标系的转换矩阵表示为：
11、
12、为i-1关节处坐标系相对于i关节处坐标系的转换矩阵，i＝1,2,3,4,5,6；的表达式为：
13、
14、式中，rot(xi-1,αi-1)表示沿xi-1轴旋转αi-1角度，trans(xi-1,ai-1)表示沿xi-1平移ai-1长度；rot(zi,θi)表示沿zi轴旋转θi角度，trans(zi,di)表示沿zi轴平移di长度；xi-1为i-1关节处坐标系的坐标x轴，zi为i关节处坐标系的坐标z轴、αi-1为i-1关节处坐标系沿xi-1方向旋转角度使得zi-1轴平行与zi轴、ai-1为i-1关节处坐标系系沿xi-1方向平移距离使得zi-1轴与zi轴共线、θi为i-1关节处坐标系沿zi方向旋转角度使得xi-1轴平行与xi轴、di为i-1关节处坐标系沿zi方向平移距离使得xi-1轴与xi轴共线。
15、进一步地，在机器人系统中，借助[x,y,z,rx,ry,rz]描述机器人末端执行器的位移和运动姿态，其中x、y、z表示末端执行器的xyz三个方向的位置数据，rx、ry、rz分别代表执行器xyz三个方向的姿态数据；
16、
17、nx、ny、nz、oz、az、px、py、pz为中的元素值。
18、进一步地，所述根据机器人末端执行器及相对位姿关系建立手眼标定方程，利用整体最小二乘法计算机器人定位矩阵及手眼矩阵的初值解，包括：
19、首先根据机器人末端执行器及相对位姿关系建立机器人-世界-手-眼标定方程：
20、ax＝zb
21、式中，x为机器人系统到世界坐标的变换矩阵，z为机器人末端执行器和相机之间的位置变换矩阵，也即手眼矩阵；a和b分别表示机器人末端执行器到机器人坐标的转换矩阵和相机到世界坐标系的转换矩阵；
22、将其转换至机器人系统中即可表示为：
23、
24、将其转化为齐次方程展开得：
25、
26、其中，a、x、z、b分别对应和为将转化后得到的旋转矩阵、平移向量；为将转化后得到的旋转矩阵、平移向量；为将转化后得到的旋转矩阵、平移向量；为将转化后得到的旋转矩阵、平移向量；
27、利用整体最小二乘法对手眼矩阵及机器人定位矩阵进行求解，得到机器人定位矩阵手眼矩阵的初值解。
28、进一步地，所述将相机标定像素点与世界坐标系下的三维点的最小重投影误差作为成本函数的值，通过对成本函数最小化得到优化后的机器人定位矩阵，包括：
29、基于最小投影误差的优化函数为：
30、
31、式中，表示相机获取的第i张标定板图像中标记点的像素位置，n为获取的标定板图像的数量，γ表示将世界坐标系下三维点投影到相机图像空间，k表示相机的内参，w表示世界坐标系下三维点坐标，矩阵上标＇表示对矩阵求逆操作，为第i张标定板图像对应的
32、将的初值解带入优化函数进行优化，得到优化后机器人定位矩阵
33、进一步地，为了便于优化函数的求解，将其转换为四元数，表示为：
34、
35、式中，q(t,c)、q(b,w)是手眼矩阵机器人定位矩阵中旋转矩阵的四元数形式，是手眼矩阵机器人定位矩阵中的位移向量，q(b,w)、表示由手眼矩阵的逆得到的四元数参数与平移矩阵，[]ht表示将四元数及平移矩阵进行齐次变换得到位姿变换矩阵。
36、进一步地，使用激光轮廓仪对目标模具进行扫描建模得到目标模具点云，将目标模具点云利用优化得到的机器人定位矩阵转换至机器人坐标系下，包括：
37、使用激光轮廓仪对目标模具进行高精度的扫描，收集模具表面的点云数据；
38、使用已知坐标的标记点，标定激光轮廓仪的点云坐标系与世界坐标系之间的转换关系；通过测量这些标记点在两个坐标系下的坐标，计算出两个坐标系之间的旋转和平移矩阵；
39、利用得到的旋转和平移矩阵，结合优化得到的机器人定位矩阵，将激光轮廓仪采集到的点云数据转换到机器人坐标系。
40、一种位姿估计设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序；处理器执行计算机程序时，实现所述复材自动铺放成型工艺中的机器人高精度位姿估计方法。
41、一种计算机可读存储介质，所述介质中存储有计算机程序；计算机程序被处理器执行时，实现所述复材自动铺放成型工艺中的机器人高精度位姿估计方法。
42、与现有技术相比，本技术具有以下技术特点：
43、1.本技术使用重投影误差作为优化函数，将方程求解过程转化为搜寻最优解的过程，减少了非必要的计算过程，提高了标定的速度。
44、2.本技术使用手眼标定算法结合激光轮廓仪对机器人进行高精度位姿估计，实现了对复材工艺机器人的高精度位姿估计，提高了铺放工艺成型质量，有效解决了复合材料成型工艺过程中存在线型偏移、良品率低及产品性能缺陷等问题
1.一种复材自动铺放成型工艺中的机器人高精度位姿估计方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的复材自动铺放成型工艺中的机器人高精度位姿估计方法，其特征在于，所述构建机器人系统构建坐标转换关系，包括：
3.根据权利要求1所述的复材自动铺放成型工艺中的机器人高精度位姿估计方法，其特征在于，所述机器人系统中的机器人为具有六关节的六自由度机器人；所述机器人末端相对于机器人坐标系的转换矩阵表示为：
4.根据权利要求3所述的复材自动铺放成型工艺中的机器人高精度位姿估计方法，其特征在于，在机器人系统中，借助[x,y,z,rx,ry,rz]描述机器人末端执行器的位移和运动姿态，其中x、y、z表示末端执行器的xyz三个方向的位置数据，rx、ry、rz分别代表执行器xyz三个方向的姿态数据；
5.根据权利要求1所述的复材自动铺放成型工艺中的机器人高精度位姿估计方法，其特征在于，所述根据机器人末端执行器及相对位姿关系建立手眼标定方程，利用整体最小二乘法计算机器人定位矩阵及手眼矩阵的初值解，包括：
6.根据权利要求1所述的复材自动铺放成型工艺中的机器人高精度位姿估计方法，其特征在于，所述将相机标定像素点与世界坐标系下的三维点的最小重投影误差作为成本函数的值，通过对成本函数最小化得到优化后的机器人定位矩阵，包括：
7.根据权利要求6所述的复材自动铺放成型工艺中的机器人高精度位姿估计方法，其特征在于，为了便于优化函数的求解，将其转换为四元数，表示为：
8.根据权利要求1所述的复材自动铺放成型工艺中的机器人高精度位姿估计方法，其特征在于，使用激光轮廓仪对目标模具进行扫描建模得到目标模具点云，将目标模具点云利用优化得到的机器人定位矩阵转换至机器人坐标系下，包括：
9.一种位姿估计设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序；其特征在于，处理器执行计算机程序时，实现根据权利要求1-8中任一项所述复材自动铺放成型工艺中的机器人高精度位姿估计方法。
10.一种计算机可读存储介质，所述介质中存储有计算机程序；其特征在于，计算机程序被处理器执行时，实现根据权利要求1-8中任一项所述复材自动铺放成型工艺中的机器人高精度位姿估计方法。
