运动平衡控制问题是机器人系统中普遍存在的问题，其中，最典型的是两轮机器人、双足机器人、独腿机器人、独轮机器人。这些机器人又可称作：“自平衡机器人”，意即需要运动平衡控制的机器人。机器人运动平衡控制问题，既是机器人学研究的重要问题，又是控制科学研究的重要问题。独轮机器人系统，需要同时控制系统的前向平衡、侧向平衡以及速度和航向等，具有重要的研究价值。　　 本文针对独轮机器人系统的建模和运动平衡控制问题进行研究，取得以下主要研究成果：　　 第一：基于劳斯方程的独轮机器人系统建模　　 本文根据劳斯方程建立独轮机器人系统的动力学模型。将机器人系统抽象为由车轮、机器人体及惯性轮三个刚体组成的系统，对其进行假设和简化，利用劳斯方程建立了独轮机器人系统的动力学模型，并通过仿真实验验证系统模型的正确性，进而分析系统的稳定性和能控性。　　 第二：独轮机器人系统的线性二次型最优控制　　 将独轮机器人系统在平衡点附近线性化，设计线性二次型最优调节控制器，实现机器人的平衡控制；并通过坐标变换方法，将系统的最优跟踪问题转化成最优调节问题，实现系统的运动控制。仿真实验表明，当机器人倾角在一定范围内时，控制器可以实现机器人的运动平衡控制。超过该范围，控制器失效。　　 第三：独轮机器人系统的基于融合函数的模糊控制　　 将独轮机器人系统在平衡点附近线性化，进而将系统在平衡点附近解耦为侧向和前向两个正交方向的子系统。然后针对各个子系统，分别设计基于融合函数的模糊控制器，降低了模糊规则数。通过仿真实验可知，本文所设计的模糊控制器，减小了系统超调和调节时间，增强了系统的抗干扰性。　　 第四：独轮机器人系统的分组分层滑模变结构控制　　 根据独轮机器人系统非线性模型的特点，设计一种分组分层滑模变结构控制器，并通过理论分析，证明所设计控制器各个滑模面的渐近稳定性。仿真实验表明，所设计的滑模控制器能够有效实现系统的运动平衡控制，扩大了系统的可控范围，降低了系统姿态角的超调，减小了系统所需的控制量，具有较强的鲁棒性，对外界干扰具有一定的自适应性。　　 第五：基于虚拟现实环境的独轮机器人运动平衡控制仿真实验　　 本文采用Open Dynamics Engine（ODE）作为独轮机器人虚拟现实实验的动力学计算引擎，在虚拟现实环境中建立独轮机器人的可视化动力学模型，将该模型的开环响应与本文建立的系统数学模型开环响应对比，进一步验证数学模型的正确性。并以虚拟现实环境中的独轮机器人为控制对象，实现独轮机器人的平衡控制、匀速运动控制和位置控制，验证控制算法。　　 本课题得到国家“863计划”项目（2007AA042226）；国家自然科学基金项目（60774077）；北京市教委重点项目（KZ200810005002）；北京市人才强教计划项目；以及高等学校博士学科点专项科研基金的资助。本文所取得的研究成果对于机器人系统的研究具有参考意义。