基于AHP-FCE 的NAO 機(jī)器人平臺可靠性評價

侯柄志

（北方工業(yè)大學(xué)，北京 100042）

0 引言

隨著科技進(jìn)步，機(jī)器人技術(shù)逐漸成為國家自動化水平的重要體現(xiàn)。在機(jī)器人的設(shè)計與應(yīng)用過程中，可靠性作為重要屬性越來越受到人們重視。傳統(tǒng)的可靠性研究需要以大樣本數(shù)據(jù)積累作為基礎(chǔ)，而且多集于具體硬件模塊的定量化指標(biāo)分析，不利于綜合評價樣本整體的可靠性水平。通過層次分析法（Analytic Hierchy Process，AHP）和模糊綜合評價（Fuzzy Coprehensive evaluation，F(xiàn)CE）相結(jié)合的方法可以有效解決樣本數(shù)據(jù)少、指標(biāo)體系不全面以及定性指標(biāo)難以量化的問題[1]。為典型小樣本、高集成度的NAO 機(jī)器人平臺可靠性評價提供了可行辦法，進(jìn)而為此類仿人形機(jī)器人平臺各系統(tǒng)模塊的持續(xù)改進(jìn)提供有力支撐，具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 NAO 機(jī)器人平臺介紹

NAO 是法國阿爾德巴蘭機(jī)器人公司2006 年研制的可編程仿人形機(jī)器人平臺，作為目前應(yīng)用最為廣泛的仿人形機(jī)器人之一，從研發(fā)至今已迭代升級6 代。NAO 機(jī)器人高58 cm、重5.4 kg，可實現(xiàn)擬人行動、環(huán)境感知、語音交流、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和開源設(shè)計等功能。硬件方面，NAO 由電機(jī)和電動制動器構(gòu)成，擁有25 個自由度的軀體行動系統(tǒng)；2 枚攝像頭、4 套麥克風(fēng)與聲納測距儀、2 套紅外線接收器和發(fā)送器、1 個慣性器件板、9個觸摸傳感器、8 個壓力傳感器共同構(gòu)成傳感系統(tǒng)；1 套語音合成器、2 個高保真揚聲器及LED 燈構(gòu)成交流系統(tǒng)；基于NAOqi 操作框架的2 個CPU 構(gòu)成運算處理系統(tǒng)；由1 GB 內(nèi)存（RAM）及32 GB 存儲構(gòu)成存儲系統(tǒng)；0.027 6 kW·h 電池等構(gòu)成電源動力系統(tǒng)；使用標(biāo)準(zhǔn)RJ45 網(wǎng)線接口的有線連接方式和支持IEEE 802.11 協(xié)議的無線連接方式共同構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)連接系統(tǒng)[2]。NAO 機(jī)器人平臺系統(tǒng)組成如圖1 所示。軟件方面，NAO提供Choregraphe、NAOqi 以及Pycharm 作為開發(fā)軟件，可實現(xiàn)開源編程與遠(yuǎn)程控制。Choregraphe 是圖形編程軟件，可實現(xiàn)機(jī)器人姿勢調(diào)整、文件傳輸和指令編寫等功能。NAOqi 是NAO 的編程結(jié)構(gòu)，具有并行、資源管理、同步和事件等功能，可實現(xiàn)各功能模塊之間數(shù)據(jù)聯(lián)動。Pycharm 是編程調(diào)用數(shù)據(jù)庫，在Pycharm里可進(jìn)行代碼編譯和指令發(fā)送。目前，NAO 已應(yīng)用在教學(xué)、科研、服務(wù)、醫(yī)療陪護(hù)和運動競技等多領(lǐng)域。

圖1 NAO 機(jī)器人平臺系統(tǒng)組成

2 NAO 機(jī)器人可靠性建模

2.1 可靠性評價指標(biāo)體系

可靠性評價指標(biāo)體系要能夠全面反映NAO 機(jī)器人整體可靠性水平，其中，構(gòu)成體系的評價指標(biāo)都具有內(nèi)在聯(lián)系、起互補作用并構(gòu)成集合。以NAO 機(jī)器人平臺可靠性為總目標(biāo)U，通過“影響因素分析→系統(tǒng)分類→同類指標(biāo)整合”后，共設(shè)包括行動系統(tǒng)、交互系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、處理系統(tǒng)和開發(fā)系統(tǒng)等5 個一級指標(biāo)及14 個二級指標(biāo)，具體分類及構(gòu)成見表1。

表1 NAO 機(jī)器人平臺可靠性評價指標(biāo)體系

2.2 遞階層次結(jié)構(gòu)模型

通過可靠性評價指標(biāo)體系建立起內(nèi)部各要素橫向之間的比較關(guān)系、縱向之間的邏輯隸屬關(guān)系與層次級別，進(jìn)行排序，構(gòu)建自上而下的遞階層次結(jié)構(gòu)模型[3]，如圖2 所示。遞階層次結(jié)構(gòu)模型中的第1 級目標(biāo)層A 的要素為NAO 機(jī)器人平臺可靠性；第2 級準(zhǔn)則層B 的要素為U1～U5 的5 個一級指標(biāo)；第3級因素層C 的要素為U11～U53 的14 個二級指標(biāo)。假設(shè)準(zhǔn)則層B 對于目標(biāo)層A 的相對權(quán)重集合為（B1，B2，B3，B4，B5），因素層C 對于準(zhǔn)則層中Bi 的相對權(quán)重集合為（Ci1，Ci2，Ci3…Cin），那么，因素層C 中，對于目標(biāo)層A 的合成權(quán)重集合為（Ci1，Ci2，Ci3…Cin）。

圖2 NAO 機(jī)器人平臺可靠性遞階層次結(jié)構(gòu)模型

2.3 構(gòu)造判斷矩陣

結(jié)合遞階層次模型構(gòu)造判斷矩陣，根據(jù)層次分析法“1-9 標(biāo)度”的原則，進(jìn)行判斷矩陣中指標(biāo)因素的兩兩比較。對各層判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗，計算一致性比率小于0.1 時，認(rèn)為判斷矩陣一致性通過。編制調(diào)查表并通過NAO 機(jī)器人共享實驗平臺[4]，組織對NAO 機(jī)器人使用單位的可靠性調(diào)研，收集可靠性指標(biāo)的賦值，同時獲得各指標(biāo)權(quán)重值。從而確定遞階層次結(jié)構(gòu)中最底層各個因素在總目標(biāo)中的重要程度。

3 可靠性評價實例

為驗證本文設(shè)立的可靠性評價指標(biāo)體系及相應(yīng)的遞階層次結(jié)構(gòu)模型可行性?，F(xiàn)采用Yaahp 軟件實現(xiàn)NAO 機(jī)器人平臺可靠性模型的判斷矩陣錄入與模糊綜合評價計算，準(zhǔn)則層判斷矩陣的CR 一致性，檢驗為0.009 3，符合要求。模糊綜合評價的判斷標(biāo)準(zhǔn)分為：優(yōu)秀、及格、不及格3 個評價等級，分值分別對應(yīng)為100、60、50，如圖3b）所示。計算得到NAO 機(jī)器人可靠性得分為72.419 2，其中，行動系統(tǒng)可靠性得分68、交互系統(tǒng)可靠性得分96，處理系統(tǒng)可靠性得分60、電源系統(tǒng)可靠性得分80、開發(fā)系統(tǒng)可靠性得分64，如圖3b）所示。

圖3 判斷矩陣錄入與模糊綜合評價計算

4 結(jié)束語

可靠性評價的目的既是保持當(dāng)前機(jī)器人平臺可靠性，也是獲取可靠性信息，為下一步可靠性持續(xù)改進(jìn)提升提供依據(jù)和參考[5]。通過實例計算得到NAO 機(jī)器人平臺可靠性評價得分處于“及格”等級。其中，處理系統(tǒng)和開發(fā)系統(tǒng)2 個方面的差距明顯。較之ASIMO、ICUB、ATLAS 等同類仿人機(jī)器人，NAO 確實在處理器和編程開發(fā)中處于劣勢，與實際情況相符。下一步，應(yīng)建立與廠家的溝通、反饋、分析和改進(jìn)渠道，幫助提升NAO 機(jī)器人平臺可靠性。同時，將模型方法進(jìn)行通用化推廣，應(yīng)用于同類仿人形機(jī)器人平臺的可靠性評價，促進(jìn)仿人形機(jī)器人平臺的良性發(fā)展。