自行车机器人在快递传送、安保巡逻等方面具有潜在的应用前景。由于机械结构的限制，现有的双轮自行车机器人普遍存在负载能力弱、地形适应能力不足的问题，为此，本课题提出一种通过十字轴挂接构成的多节自行车机构，并从机构设计、动力学建模、物理样机搭建、非完整约束验证、自平衡运动控制仿真等几个方面对系统进行研究。论文研究主要完成的工作如下：　　(1) 对本文所设计的拖挂式多节自行车机器人进行运动学和动力学分析，基于Chaplygin方程建立了系统的欠驱动力学模型。　　(2) 设计并搭建了以工控机(IPC)为核心，多片数字信号处理器(DSP)为下位机组成的分布式测控系统，融合惯性测量单元(IMU)、光电编码器等检测技术，利用RS232串行总线进行数据通讯的拖挂式多节自行车机器人物理样机；基于该样机，完成了人骑行走直线、圆周和S曲线手动平衡控制实验，验证了非完整约束分析的有效性，也证明了物理样机的可靠性。　　(3) 给定牵引车前轮转速，基于动力学模型，采用部分反馈线性化方法设计了随机自平衡运动控制器，在MATLAB/Simulik实现了平衡运动控制仿真，验证了所设计控制器和动力学模型的有效性。与此同时，在该实验的基础上运用控制变量法对牵引车前轮驱动速度、牵引车车架质量及质心位置进行研究，得到了牵引车前轮角速度越快，牵引车车架质量越大，牵引车车架质心越低，牵引车车架质心水平方向距离后车轮质心越远，越有利于拖挂式自行车机构自平衡等结论。　　(4)文章在最后引入ZMP理论，提出拖挂式自行车ZMP模型，并以此为基础提出机构动态稳定判据，为后续轨迹控制实验研究提供参考。