变结构两轮车机器人是两车轮前后分布的自行车和两车轮左右分布的Segway两者相结合的产物,是两轮车家族中的一名新成员。这种机器人可通过改变两侧车把转角的大小,使系统工作于不同的工作模式以适应不同的地形环境和任务要求。变结构两轮车机器人的研究是一个系统工程,而平衡控制则是其中的基础。本文主要针对系统在工作模式动态切换中涉及的一些平衡问题展开研究,主要完成如下工作:(1)对变结构两轮车机器人进行了运动学和动力学分析,根据车轮与地面纯滚动假设以及两车轮质心速度关系推导出系统的完整约束和非完整约束,采用查浦雷金方法建立系统的动力学模型。基于该模型分析了部分状态下车轮驱动力矩与车架俯仰角、车把转角、车把转角速度的关系。(2)设计并搭建了变结构两轮车机器人的物理样机,包括机械本体和测控系统平台,其中,测控系统以工控机(IPC)和数字信号处理器(DSP)为控制核心,综合惯性测量单元(IMU)、光电编码器、电流传感器获取系统的状态变量,采用ZigBee无线模块完成数据的上传和控制指令的下达;采用VS2010、MATLAB GUI等开发工具完成了变结构两轮车机器人上位机监控程序的开发,为系统实验操作分析设计了一个方便简洁的人机交互界面。(3)针对在同步转动车把情况下进行模式切换的特殊情形,对系统力学模型进行降维,得到固定车把下的力学模型;基于部分反馈线性化方法设计变结构两轮车机器人固定车把为0?45??、时的定车运动平衡控制器,对固定车把下的定车平衡运动控制进行了数值仿真和物理样机实验研究,实现了几组固定角度下的定车平衡运动控制。(4)对车把在一定范围内摆动的原地模式切换问题进行了研究,基于部分反馈线性化方法设计变结构两轮车机器人模式切换运动的平衡控制器,并引入模糊方法对控制器的参数进行在线整定提高系统的鲁棒性;对系统进行了数值仿真和物理样机实验研究,实现了车把摆动情况下的原地模式切换运动控制。(5)对车把在一定范围内摆动的行进中模式切换问题进行了研究,在原地模式切换基础上,调整车架俯仰角和车轮速度期望值,完成了行进中模式切换运动的平衡控制器设计,并进行数值仿真和物理样机实验研究,实现了车把在一定转角范围内摆动的行进中模式切换运动控制。本论文对变结构两轮车机器人的力学模型、一定车把转角范围下的模式切换问题进行了研究,并从仿真实验与样机实验两个方面实现了几组固定车把角度下的定车运动控制和一定车把转角范围内摆动的模式切换运动平衡控制,为变结构两轮车机器人的模式切换、轨迹跟踪控制等进一步研究提供参考。