文档介绍：沈阳工业大学硕士学位论文

全向助行拐杖机器人研究

Research on Omnidirectional Walking Cane Robot

作者：汪海洋单位：电气工程学院
指导教师：孙柏青副教授单位：沈阳工业大学
协助指导教师：单位：
单位：
论文答辩日期：2015 年 3 月 2 日
学位授予单位：沈阳工业大学
摘要
人口老龄化问题，已经成为全球关注的焦点。《 2014 年度中国老龄事业发展统计报
告》显示，直至 2014 年，全中国 65 岁及以上老年人口已经高达亿，并且有继续
上涨的趋势。随着人口老龄化的加剧，失去基本行走能力的失能老人、半失能老人人数
也急剧增加，如何能够保证此类人群完成基本的行走活动，俨然成为了一个严峻而迫切
的问题。医学研究表明，除了手术、药物治疗、提供护理人员外，相应配套的助行设备
对辅助患者行走具有不可忽视的作用，而且在成本、实用性等方面也具有其优势。于是，
设计科学完善的助行设备就成为了关键与基础。
鉴于上述情况，本文设计了一款全向助行拐杖机器人。该机器人分为意图识别系统、
运动控制系统和结构系统三大部分，机器人通过传感器检测用户施力及拐杖状态信息，
建立位置预测系统，控制机器人运动平台运动到意图位置。同时，在机器人运动的过程
中，支撑导向装置姿态时刻改变，提供的支撑力也时刻变化，起到辅助行走的作用。
全向助行拐杖机器人结构分为支撑导向装置和运动平台两大部分。支撑导向装置可
以全向旋转，提供足够支撑力，运动平台由 3 组全向轮及步进电机组成。意图识别系统
是基于用户使用普通拐杖搭建的，通过将普通拐杖把手处安装力传感器、拐杖直杆中部
安装姿态传感器，检测行走过程中的人施力信息和拐杖姿态信息，并对采集到的数据进
行去噪，滤波等处理，计算得到修正后的数据，并将姿态信息转换成位置信息。通过创
建神经网络预测系统建立施力和位置的关系，并将其应用到拐杖机器人意图识别系统中。
针对预测得到的意图位置，提出基于力控制的运动控制算法，实现全方向助行拐杖机器
人对期望位置的跟踪。最后，以期望位置预测的准确性及期望位置的跟踪情况作为标准
对其设计好坏进行评估，验证所设计的智能拐杖助行机器人是否具有助行性。

关键词：人口老龄化，助行拐杖机器人，力控制，神经网络
I
Abstract
Aging population has been a global focus. ‘Chinese Aging Development Statistics Report
2014 Annual’ shows that all Chinese elderly population aged 65 and over reached
million in 2014, and has a rising trend. With the population aging intensifies, the number of
Disable elderly and half disable elderly increases, it is an urgent problem to ensure them
complete the basic walk