自行车作为两轮车的代表因其独特的平衡特性引发了国内外学者的广泛研究。从最早的模型研究,到平衡控制研究；从传统的后轮驱动,到新兴的前轮驱动；从单一的平衡直线行走,到原地定车以及定周回转运动,自行车机器人的研究领域不断扩展。近年,一种名为Segway的交通工具引发了各方面的广泛关注。Segway无论从外形结构到平衡控制方法都与自行车机器人迥然不同,但Segway同样具有两个车轮,并且有与自行车机器人相似的动态平衡特性。因此,研制一种结构可变的两轮车机器人,使得其可以分别以自行车或Segway状态下运行,又可以在两种状态间切换,满足不同行驶条件,不仅具有理论研究价值,还具有广阔的市场应用前景。本文首次提出一种变结构自平衡两轮车,并以其作为研究对象,分别从结构设计、运动学分析、非完整约束分析、动力学模型分析、平衡控制算法分析等方面展开研究。本文完成了以下几方面的研究：本文首先给出变结构两轮车机器人的设计思路,以及系统的结构模型。通过对系统进行运动学分析,在车轮与地面间只滚不滑的约束条件下,得到了系统的非完整约束方程,并通过仿真的方法验证了所得到的非完整约束方程；在此基础上,应用Kane方法依次得到了系统的偏速度、偏角速度以及广义主动力、广义惯性力,并由此得到了系统的动力学方程；设计了一种自行车状态下的基于运动学的平衡控制器,通过引入车体做近似圆周运动时离心力所产生的虚拟平衡转矩,以车把转角和前轮转速作为控制输入,根据平衡条件进行控制参数的筛选,并应用Adams和Matlab进行联合仿真,通过不同车体倾角下的仿真实验验证了所设计控制器的有效性；搭建了一台以数字信号处理器TMS320-F28335作为核心处理单元,以单片机C8051F040的作为数据采集单元,以单片机C8051F410的作为电机控制单元,通过位姿测量系统MTi、光电编码器、电流传感器等融合多传感器体系,包含四组电机驱动的变结构两轮车机器人的实物样机。