运动控制和姿态控制是机器人系统中普遍存在的问题。自平衡机器人是一类特殊的机器人,因其需要通过自身的不断运动才能保持姿态平衡。与一般的轮式机器人不同,球轮自平衡机器人(spherical wheel self-balancing robot,后简称SWSR)以圆球体支撑,不需要改变方向便可以灵活的向各方向移动,是一种典型的非线性,强耦合,欠驱动的系统,其动力学建模、姿态平衡控制和运动控制是控制科学学科研究的重要问题。本文的研究内容是SWSR系统设计、动力学建模及运动平衡控制。主要内容包括:SWSR的物理系统设计,包括机器人的机械结构设计、电气及驱动系统设计和基于ARM主控制器的程序设计;机器人的动力学建模,本文通过求取系统各部分的动能及势能,利用Lagrange方程建立了机器人的三维动力学模型;运动平衡控制器,设计了一套基于非线性PD的双闭环控制器,该控制器可以实现SWSR的姿态平衡控制及二维平面的位移运动控制;设计了联合仿真实验及物理实验,并对机器人鲁棒性进行了测试。本文的详细工作内容和取得的主要工作成果如下:1)球轮自平衡机器人物理系统。利用Solidworks软件设计了基于3全向轮驱动的SWSR机械结构,并完成了机器人的制作。搭建了机器人的电路电气系统,包括姿态检测系统,控制系统,执行系统,电源系统及通讯系统。以时间片轮询算法为基础结构,搭建了基于STM32处理器的控制程序框架,让CPU在不同的时间片中分别处理不同的任务,提高了程序的运行效率。2)基于拉格朗日方程建立了球轮自平衡机器人的动力学模型。本文首先对SWSR进行模型简化,将其分解为机身、球轮和驱动轮3部分,并求取了各部分的动能及势能,在每个平面内虚拟出一个驱动轮,利用虚拟力矩与实际力矩间的转化关系,对机器人进行解耦,运用第二类Lagrange方程建立了机器人的3维数学模型,在Matlab环境下进行了机器人的零输入响应和零状态响应实验,验证了所建立数学模型的正确性及有效性。3)基于双闭环结构的球轮自平衡机器人非线性PD控制系统。针对SWSR的俯仰和横滚方向分别设计了基于非线性PD的双闭环控制结构,用来控制机器人姿态平衡及位移运动。针对机器人的偏航运动设计了非线性PD控制器,后续的实验结果分析表明,该控制策略在球轮自平衡机器人的姿态平衡控制及位移运动控制上均有较好的效果。4)基于球轮自平衡机器人的联合仿真实验及物理实验。针对数学模型往往不能真实反映机器人实际运行状况的问题,本文将虚拟样机技术应用到了机器人的仿真试验中,利用ADAMS建立了机器人的虚拟样机模型,利用MATLAB/Simulink搭建了机器人的控制系统。在定点自平衡实验中,机器人能够在保持自身姿态平衡的同时,使机器人保持原地不动。在行走直线实验中,机器人能够在维持姿态平衡的状态下进行二维平面进行任意方向的位移运动。在鲁棒性实验中,机器人在保持姿态平衡的条件下能够抵抗一定的外部冲击扰动。在实物模型上,进行了机器人的自平衡实验,验证了所设计的控制策略的可行性及有效性。本课题来源于北京市自然科学基金项目/北京市教育委员会科技计划重点项目(No.KZ201610005010)。本课题的主要目的是,针对球轮自平衡机器人系统,研究机器人的物理系统结构,动力学模型的建立以及基于姿态平衡的运动控制算法。本课题取得成果对提高球轮自平衡机器人设计水平及推广球轮自平衡机器人的应用具有一定意义。