独轮机器人与地面为点接触,属于一种极为特殊的移动机器人,具有较多的自由度,为静态不稳定系统。独轮机器人有多种稳定平衡方式,不同的平衡方式对于机器人本体机构和控制系统的设计具有很大的影响。本文在参照前人研究的基础上,选取一种新型的双陀螺转子排布方式,利用陀螺力矩实现机器人的平衡控制。首先,根据陀螺稳定的原理,设计出基于双陀螺转子的独轮机器人的机械结构。结构采用外轮圈内框架的形式,将机器人左右平衡和前后平衡分开考虑。并进行简单计算选取合适的驱动电机。其次,根据结构需要和选取的电机设计机器人整体控制系统。其中包括控制系统的硬件设计和搭建,以及控制系统的软件控制算法选取。机器人平衡控制采用基于串级PID算法,并进行算法解耦将不同方向的平衡控制分开。然后,本文对建立好的机器人模型进行动力学建模,利用Lyapunov法对机器人的左右平衡稳定性与收敛性进行分析。根据动力学方程建立合适的PID控制函数,在Matlab中建立传递函数模型并调整PID数值得到合适的PID参数。利用Adams和Simulink对机器人进行联合仿真,验证其可行性。最后,搭建实验平台,研制机器人实验样机。并进行机器人左右方向的平衡性验证。通过实验,证明这种新型的双陀螺转子独轮机器人的可行性和有效性。分析机器人不足,分析问题所在并改进所在问题。