前轮驱动自行车机器人是一种依靠原动机驱动前轮在地面上运动来获得前进动力的新型自行车机器人系统。作为自行车机器人家族中的一个新成员,前轮驱动自行车机器人一方面继承了后轮驱动自行车机器人的全方位平衡行走能力,另一方面又比后轮驱动自行车机器人具有更大的灵活性,可以实现零半径转弯、原地定车和原地回转等特殊运动,因而这种驱动方式的自行车机器人具有更广阔的应用空间。前轮驱动自行车机器人的动力学特性、平衡运动控制方法等均与后轮驱动自行车机器人有着较大的区别,目前,学界针对前轮驱动自行车机器人的研究还不多,且基本为理论性的探讨和仿真分析,能够提供样机实验的文献报道更是少之又少。为了填补自行车机器人研究领域关于前轮驱动自行车机器人方面的缺憾,本论文以一种无配重调节器的前轮驱动自行车机器人系统为研究对象,根据从简单到复杂、从特殊到一般、数值仿真和样机实验结合的研究思路,依次对这种机器人的力学建模与动力学特性分析、物理实验样机机械结构搭建与测控系统功能实现、90°车把转角下的定车运动和原地回转运动、45°车把转角下的定车运动和小半径的圆周运动以及直线平衡行走运动等问题进行了深入的理论探讨与实验研究,重点研究这种机器人实验样机各种平衡运动的控制与实现。论文主要完成的工作如下：(1)根据车轮纯滚动条件分析了前轮驱动自行车机器人在运动过程中所受到的非完整约束,并以此为基础对机器人各构件的运动参数进行精确的推导,采用Kane方法建立了这种机器人在斜坡上运动的递推形式动力学模型：对前轮驱动自行车机器人的爬坡能力进行分析,提出了评判自行车机器人爬坡能力的性能指标；对前轮驱动自行车机器人在爬坡运动和水平面上行走运动两种状态下的动力学特性进行了数值仿真和对比分析。(2)设计并搭建了一台具有两个直流驱动电机,通过齿轮减速器进行动力传递,以TMS320F28335数字信号处理器(DSP)为控制算法计算核心,以TMS320F2812数字信号处理器为信号采集处理模块,以C8051F020单片机为电机控制器,融合航姿惯性测量单元、光电编码器、霍尔电流传感器,超声波传感器等多感知传感模块,并综合CAN总线、SPI总线以及RS232总线通讯方式的前轮驱动自行车机器人实验样机；以所搭建的实验样机为对象,通过一个简单的测控实验证明了样机机械系统设计、测控系统硬件平台方案的可行性。(3)考虑前轮驱动自行车机器人前轮平面与车架平面垂直时的特殊构型,利用Lagrange方程建立了这种机器人系统在车把固定为90°时的一种简化力学模型；基于部分反馈线性化原理,将欠驱动的车架横滚角线性化,取系统全部自由度为输出,对自行车机器人在90°车把转角下的定车运动进行仿真控制和样机实验研究；利用部分反馈线性化控制方法对自行车机器人在90°车把转角下的原地回转运动进行仿真控制和样机实验研究,并进一步量化分析了设定不同车架横滚角期望值对原地回转运动回转频率的影响。(4)根据瞬时转轴和转弯半径分析推导出了后轮角速度、车架航向角速度与前轮驱动速度的约束关系；利用Lagrange方程建立了更具一般性的前轮驱动自行车机器人在任意车把转角下的力学模型；根据部分反馈线性化控制原理,将系统欠驱动的车架横滚角线性化,并取系统全部自由度为输出,对自行车机器人在45°车把转角下的定车运动进行仿真控制和样机实验研究；利用部分反馈线性化控制方法对自行车机器人在45°车把转角下的小半径圆周运动进行仿真控制和样机实验研究,并分析了不同车架横滚角设定值对圆周运动周期的影响。(5)根据前轮驱动自行车机器人在任意车把转角下的力学模型,利用部分反馈线性化方法,将系统有驱动输入的前轮转角和车把转角线性化,将欠驱动的车架横滚角作为系统内部动态考虑,为前轮驱动自行车机器人的直线平衡行走运动设计了平衡控制器,通过零动态分析证明了控制系统的稳定性,并对这种机器人的直线平衡行走运动进行了数值仿真控制和样机实验研究。本论文关于前轮驱动自行车机器人的力学建模理论和样机平衡运动控制实验研究丰富了自行车机器人研究领域的内涵,特别是实验样机的各种平衡运动控制实现为自行车机器人从理论研究到实际应用的跨越提供了强有力的支撑。另外,本论文的研究虽然是以前轮驱动的自行车机器人为对象,但考虑到自行车机器人前后轮之间的非完整约束关系,因此本文的研究成果,尤其是各种平衡运动基于部分反馈线性化方法的控制策略,也可以推广到后轮驱动的自行车机器人上,供后者借鉴和参考。