自行车机器人作为一种具有非完整约束的欠驱动系统，其依靠车把与车轮之间的动力学耦合作用实现车体欠驱动横滚角的平衡控制。国内外诸多学者已经对该机器人的平衡控制机理、控制策略以及运动形式做了深入研究并取得了丰硕的成果，但在倒车平衡运动控制还少有涉猎。为了解决由于车体结构、转弯半径等因素限制了其在狭窄空间下的运动灵活性，因此对自行车机器人进行倒车平衡运动的实验研究很有必要。论文以这种机器人为对象，主要从动力学建模以及倒车圆周运动的控制算法等方面进行研究，主要研究工作如下所述：　　（1）对自行车机器人进行运动学分析（包括完整约束分析、非完整约束分析、速度分析及自由度分析），基于查浦雷金方程建立了该系统的动力学模型。然后验证了动力学模型计算过程的正确性，为设计各种单一或复合平衡运动控制器奠定了基础。　　（2）设计并搭建自行车机器人的物理样机，其机械系统主要是在现有自行车基础上增加车把、前后车轮三个驱动关节，并在Solidworks环境下完成机械参数的测量；其测控系统是以工控机为主控制器、以 DSP 为控制器的多驱动单元，并融合惯性测量单元、编码器等传感器的硬件框架；编写相关的软件框架，包括工控机中的主控制程序以及以DSP为控制器的数据采集、驱动控制程序；开发一套基于VS2010 MFC的实时监控界面应用软件，方便于进行控制参数的调节和力学机理的分析。　　（3）分析了自行车机器人倒车圆周运动的动态平衡条件，并在该平衡点处对该系统模型进行能控能观性证明；然后分别设计了基于部分反馈线性化的控制器以及基于模糊控制进行在线参数自整定的部分反馈线性化控制器，通过 Simulink 仿真实验与物理样机实验验证了两种控制器的有效性；最后通过对比得出采用基于模糊控制在线参数自整定的部分反馈线性化控制器鲁棒性、快速性更好。　　（4）基于Matlab/Simulink的运动控制仿真采用正动力学方法分析自行车机器人的几何物理参数（车轮半径、轴心距以及车架质量等）变化对自行车机器人倒车圆周运动控制的影响，主要是对于车轮驱动关节平衡调节的影响。从而为以后自行车机器人的驱动关节电机的选择以及机械结构参数的优化提供了依据。同时也为以后不同机械结构参数的自行车机器人的控制器设计提供了参考和研究方法，用以设计出鲁棒性更强的运动控制器。