两轮车机器人采用双驱动把和双驱动轮,通过驱动控制使车身处于平衡状态,具有结构紧凑、能耗小、无回转半径等优点。该类型机器人在交通代步、观赏表演、机器人教育等方面都有广泛实践应用。在两轮车平衡机器人的研究中,有些改变了机器人控制方法来提高运动性能,有些结合人工智能算法来实现智能巡航,还有一些对机器人结构进行了改进,使得两轮车机器人具有良好平衡运动性能和丰富的功能。本文在基本变结构两轮车的基础结构上,设计了一对控制力矩陀螺机构,用于辅助两轮车机器人平衡,然后从机器人动力学分析、双幂次滑模控制设计、轨迹控制仿真分析、力矩陀螺的辅助作用仿真分析、物理样机软件设计以及物理样机实验等方面展开,研究了双幂次滑模控制和力矩陀螺对两轮车机器人轨迹控制的影响。主要研究内容如下:（1）设计了一种具有力矩陀螺的两轮车机器人结构。在陀螺效应原理基础上建立了力矩陀螺模型,并根据查普雷金方程建立了两轮车机器人动力学模型。然后基于动力学模型设计了双幂次滑模控制器和部分反馈线性化控制器。（2）借助于MATLAB/simulink平台进行了运动控制仿真。首先在力矩陀螺不参与辅助平衡下,进行了平衡定位,直线运动和S曲线运动仿真,根据仿真结果分析了两种不同控制器对机器人的平衡状态和轨迹跟踪的影响。再以双幂次滑模控制为控制器,进行了陀螺力矩是否参与辅助平衡的轨迹控制仿真,分析了力矩陀螺对机器人的平衡状态和轨迹跟踪的影响。结果说明了双幂次滑模控制和力矩陀螺的联合控制,可以提高两轮车机器人的轨迹控制性能。（3）完成了机器人的测控系统和控制软件设计,以及样机搭建。机器人测控系统以工控机为控制核心,实现陀螺仪数据处理、数据上传、力学模型计算以及控制算法运算等任务。采用数字信号处理器（DSP）作为下位机,完成对系统状态的数据采集、处理、交换等任务。最后在VS2010平台上实现了核心控制程序,在CCS平台上实现了DSP程序。（4）进行了物理样机的综合实验,实验结果验证了机器人物理样机测控系统软硬件设计的可行性。实验结果和仿真结果一致,表明了双幂次滑模控制可以使两轮车机器人获得更好的轨迹控制性能。