近些年来由于Segway这一新型的代步工具的出现,加上节能减排绿色环保的提出,掀起了一股对于这种小型自平衡轮式机器人的研究热潮。其实对于两轮车的研究从很久以前就已开始。开始时学者们的主要研究目光锁定在自行车这一具有悠久历史的代步工具,从动力学分析到逐步的实现自平衡自动行走。后来Segway的提出,彻底改变了人们对于两轮车的认识,同时也产生了这两种两轮车之间的优劣对比。本文的研究对象是一种能够在自行车形态与Segway形态之间切换的自平衡机器人。分别从两种形态的动力学建模、不同形态的控制器设计与仿真、虚拟样机的设计与参数辨识以及最后的实物样机实验平台的搭建与测试等方面展开研究。首先对于变结构自行车机器人(简称VSBR)的自行车形态与Segway形态进行了结构分析。然后使用拉格朗日方程对VSBR的Segway形态进行了动力学建模,使用罗斯方程对45°自行车形态的VSBR进行了动力学建模,使用阿佩尔方程对90°自行车形态的VSBR动力学建模。在这些动力学模型的基础上,针对VSBR的Segway形态的动力学模型设计了基于LQR的PID控制器,针对VSBR自行车形态45°模式设计了神经鲁棒控制器,针对VSBR自行车形态90°模式设计了神经滑模控制器,并且在MATLAB上进行了仿真实验。在理论分析之后进行了虚拟样机设计并设计了基于遗传算法的参数辨识实验。最后,搭建了VSBR的测控系统,设计了接口电路与上位机接收软件,并进性了测控系统试验,并对测试结果进行了分析。