自平衡控制问题是非线性动态系统控制中的一个经典问题,有着悠久的研究历史。作为控制领域研究的热点,自平衡装置被公认为是自动控制理论中理想的典型实验设备。目前,对于平衡控制的研究主要集中于直线倒立摆或者是单轴的惯性轮倒立摆,对三维的空间倒立摆的研究很少,特别是其控制方法的研究还处于初级阶段,有待进一步深入探索和研究。立方体机器人是一种基于惯性轮组的三维倒立摆,基于惯性轮组产生的反作用力矩使其可以在边线上,最终在角点上直立平衡。本文将立方体机器人作为研究对象,建立了立方体机器人系统的动力学模型,设计了该系统的控制算法,并借助于LabVIEW软件和NI myRIO控制器进行了实验平台的搭建、调试和实现平衡功能的探索性研究。首先,本文介绍了立方体机器人的机械结构,将立方体机器人的边平衡控制抽象为单面的惯性轮倒立摆控制问题,并建立了惯性轮倒立摆的状态方程。根据拉格朗日方程建立了立方体机器人系统以角为支点的动力学模型,并通过MATLAB仿真验证了系统模型的有效性。进而分析了系统的稳定性和能控性,结果表明立方体机器人为完全能控的不稳定系统。其次,设计基于灾变遗传算法优化的LQR控制器来完成立方体机器人的边平衡控制,在MATLAB/Simulink环境下的数值仿真结果表明,经过灾变遗传算法优化后,LQR控制器的控制性能得到了提高。然后,设计了自适应积分反步控制方法来进行立方体机器人的角平衡控制,并引入虚拟控制量解决了此多变量系统的控制解耦问题。通过Adams和MATLAB/Simulink进行了立方体机器人系统的联合仿真,仿真结果验证了所设计的控制算法对于立方体机器人系统角平衡控制的有效性。最后,针对获取立方体机器人实时姿态信息的问题,设计了基于四元数的互补滤波算法,借助NI myRIO和相应的传感器在LabVIEW软件中对设计的姿态融合算法进行代码编写,完成了立方体机器人实时姿态数据的获取。搭建立方体机器人系统的实验平台,在LabVIEW软件中编写了所设计控制算法的代码,并将其下载到NI myRIO控制器中,进行实际的平衡控制实验,通过调整相关的参数,实现立方体机器人的边平衡和角平衡控制。