侯柄志

（北方工業(yè)大學，北京 100042）

0 引言

隨著科技進步，機器人技術逐漸成為國家自動化水平的重要體現(xiàn)。在機器人的設計與應用過程中，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，而且多集于具體硬件模塊的定量化指標分析，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）相結合的方法可以有效解決樣本數(shù)據(jù)少、指標體系不全面以及定性指標難以量化的問題[1]。為典型小樣本、高集成度的NAO 機器人平臺可靠性評價提供了可行辦法，進而為此類仿人形機器人平臺各系統(tǒng)模塊的持續(xù)改進提供有力支撐，具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 NAO 機器人平臺介紹

NAO 是法國阿爾德巴蘭機器人公司2006 年研制的可編程仿人形機器人平臺，作為目前應用最為廣泛的仿人形機器人之一，從研發(fā)至今已迭代升級6 代。NAO 機器人高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)絡互聯(lián)和開源設計等功能。硬件方面，NAO 由電機和電動制動器構成，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 燈構成交流系統(tǒng)；基于NAOqi 操作框架的2 個CPU 構成運算處理系統(tǒng)；由1 GB 內(nèi)存（RAM）及32 GB 存儲構成存儲系統(tǒng)；0.027 6 kW·h 電池等構成電源動力系統(tǒng)；使用標準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成網(wǎng)絡連接系統(tǒng)[2]。NAO 機器人平臺系統(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)開源編程與遠程控制。Choregraphe 是圖形編程軟件，可實現(xiàn)機器人姿勢調(diào)整、文件傳輸和指令編寫等功能。NAOqi 是NAO 的編程結構，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里可進行代碼編譯和指令發(fā)送。目前，NAO 已應用在教學、科研、服務、醫(yī)療陪護和運動競技等多領域。

圖1 NAO 機器人平臺系統(tǒng)組成

2 NAO 機器人可靠性建模

2.1 可靠性評價指標體系

可靠性評價指標體系要能夠全面反映NAO 機器人整體可靠性水平，其中，構成體系的評價指標都具有內(nèi)在聯(lián)系、起互補作用并構成集合。以NAO 機器人平臺可靠性為總目標U，通過“影響因素分析→系統(tǒng)分類→同類指標整合”后，共設包括行動系統(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 個一級指標及14 個二級指標，具體分類及構成見表1。

表1 NAO 機器人平臺可靠性評價指標體系

2.2 遞階層次結構模型

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

圖2 NAO 機器人平臺可靠性遞階層次結構模型

2.3 構造判斷矩陣

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

3 可靠性評價實例

為驗證本文設立的可靠性評價指標體系及相應的遞階層次結構模型可行性?，F(xiàn)采用Yaahp 軟件實現(xiàn)NAO 機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準分為：優(yōu)秀、及格、不及格3 個評價等級，分值分別對應為100、60、50，如圖3b）所示。計算得到NAO 機器人可靠性得分為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 結束語

可靠性評價的目的既是保持當前機器人平臺可靠性，也是獲取可靠性信息，為下一步可靠性持續(xù)改進提升提供依據(jù)和參考[5]。通過實例計算得到NAO 機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，應建立與廠家的溝通、反饋、分析和改進渠道，幫助提升NAO 機器人平臺可靠性。同時，將模型方法進行通用化推廣，應用于同類仿人形機器人平臺的可靠性評價，促進仿人形機器人平臺的良性發(fā)展。