两轮机器人在智能机器人领域是一个相当重要的课题,目前国内外对于两轮机器人的研究集中于自行车机器人与Segway机器人。在日常生活中,自行车机器人一般可以在路面坎坷的环境中高速行驶,但是由于旋转半径较大,通常在狭窄路段转弯不便;Segway机器人一般适用于在地势平坦的环境中低速行驶,对于狭窄路段可以很自如的进行转弯。如果将这两种机器人的优势结合起来,对于真实复杂的环境有着更好的适用性。本文对兼具二者优势与特点的一种变结构轮式机器人的动力学建模与控制开展研究。这能为轮式机器人领域带来新的方向与可能,具有十分重要的意义。首先,本文对于变结构轮式机器人的一般运动形式进行运动学分析,根据查普雷金方程建立了系统动力学模型,揭示了变结构轮式机器人各个部分的力学耦合关系,并完成了动力学模型的两种表述形式的推导。将一般运动形式动力学模型在Bicycle模式下进行特例化处理,与基于查普雷金方程对自行车机器人建模得到的动力学模型进行了对比。将一般运动形式动力学模型在Segway模式下进行特例化处理,与基于查普雷金方程对Segway机器人建模得到的动力学模型进行了对比,从而印证了所建立的一般运动形式的动力学模型的有效性。使用ADAMS建立机器人的虚拟样机,开展ADAMS与Simulink联合仿真研究。在未施加控制算法的情况下,针对机器人的自然倾倒过程进行了仿真。对于机器人倾倒过程,使用MATLAB对机器人动力学模型进行了数值仿真。将数值仿真与联合仿真的结果进行了对比,验证了所建立的一般运动形式的动力学模型的正确性。本文通过两种方法开展对机器人非线性系统的控制器设计。一种是基于一般运动形式的动力学模型,通过动态扩展算法对原系统进行了扩展。然后将扩展系统分成可线性化的子系统与零动态子系统。基于部分反馈线性化理论对可线性化子系统进行输入输出解耦,并通过中心流形定理对零动态子系统进行镇定,完成了该控制器的设计。另一种方法通过分析系统内部结构,构造微分同胚的非线性变换,对仿射非线性系统进行变换。重新选择解耦矩阵后将系统分成可线性化的子系统与零动态子系统。基于部分反馈线性化理论对可线性化子系统进行输入输出解耦,并通过串级滑模控制理论完成了对线性化子系统与零动态子系统的控制器设计。对这两种控制器分别进行了MATLAB/Simulink仿真,验证了控制器的有效性。最后,完成了机器人实物样机的设计与测控系统器件选型,初步搭建了变结构轮式机器人系统的实物样机。