胶囊机器人,不仅能缓解胃肠道病人的诊断痛苦,而且能通过人机交互系统控制机器人避开诊断视觉盲区。在外磁场的控制下,双半球胶囊机器人可以实现精确的控制,从而在食道、胃、结肠等非结构性宽裕的环境中实现介入治疗和诊断。因其安全性高,体内诊断稳定可靠,具有普遍的临床应用推广价值,同时也是国际小微机器人医疗研究的热门领域。本文主要研究倾斜环境下双半球胶囊机器人的动力学特性、爬坡性能和运动稳定性。首先,双半球机器人通过两种模态的相互切换,不仅实现了主动模态在倾斜环境下稳定运动和爬坡行走,同时也实现了在被动模态时的悬停调姿作业。倾斜环境下机器人双模态作业的控制分离,为实现食道、胃等非结构宽裕空间内的医疗诊断与遍历检查提供了理论依据。其次,在研究过程中,发现机器人无论在何种模态下工作,胶囊机器人总是主动半球自传,作为运动主体,跟随磁场运动,被动半球并不绕轴线转动,形成欠驱动状态。深入分析双半球胶囊机器人运动时姿态特征和方位信息,从而引入陀螺定点运动时的坐标系体系。同时利用拉格朗日方程、陀螺力学等相关原理,推导了被动模态下定点“悬停”调姿的动力学模型与主动模态下的滚动动力学模型。根据机器人的“悬停”调姿的稳定条件,确定了机器人能稳定调姿的最大倾斜角和控制参数选参范围;并根据机器人的爬坡性能,确定了机器人的爬坡运动条件和不同参数下最大爬坡角度。最后,因为双半球机器人运动模型是复杂的时变非线性动力学方程,所以无法得到通用的解析解,只能通过仿真工具进行数值分析。本文主要通过Maple推导了双半球机器人运动模型,并利用Matlab仿真分析了机器人不同运动状态非线性模型的动态特性。通过分析机器人被动模态下姿态角的收敛情况,根据李雅普诺夫稳定性条件验证了机器人在被动条件下“悬停调姿”的稳定性。为了验证机器人的抗干扰能力,对机器人姿态角的时间响应曲线也做了充分分析。此外,机器人具有自站立特性,这确保了机器人的轴线方位始终只有一个,从而对机器人姿态角实现了准确的控制。在一定磁场控制下,机器人通过主被动模态转换,实现了倾斜环境下滚动和爬坡运动,这使得机器人可以按照要求到达指定位置从而进行检查,奠定了机器人在非结构性宽裕空间运动的基础。