独轮车机器人属于自然不稳定系统,其车体侧向倾角和前后俯仰角无直接驱动，需要通过摆轮以及行走轮与车架之间的力学耦合保持车体平衡。平衡控制是独轮车机器人研究首要面对的问题，也是其轨迹跟踪和避障控制的前提和基础。本文以一种垂直摆轮式独轮车机器人为对象，从力学建模、物理样机结构设计、平衡控制器设计、虚拟样机控制仿真和物理样机实验几个方面对系统进行研究。论文完成的工作如下：　　（1）对垂直摆轮式独轮车机器人的运动学和动力学进行数学分析，采用查浦雷金方法建立系统的欠驱动力学模型。　　（2）设计并搭建完成一台以行走车轮作为机器人俯仰平衡控制机构，以腰轮作为航向调整机构，以垂直摆轮作为侧向平衡控制机构，以TMS320F28335数字信号处理器（DSP）作为控制硬件核心，利用惯性测量单元（IMU）采集独轮车机器人姿态数据，利用RS232串行总线进行数据通讯的独轮车机器人物理样机。基于搭建完成的独轮车机器人物理样机，以MPC2000型转动惯量测试仪为平台，测量了机器人的质量、质心位置和转动惯量；完成了摆轮电机的速度响应实验、电流响应实验、电流与力矩数学模型辨识等一系列基础实验。　　（3）采用部分反馈线性化方法设计完成独轮车机器人的侧向平衡控制器和俯仰平衡控制器，对车体侧向平衡运动和前后平衡运动进行了数值仿真，从中验证控制器设计的可靠性与有效性。基于侧向平衡控制器对PID参数进行了数值分析，得到既满足系统稳定性，又满足电器特性的控制参数集合。　　（4）在Adams环境下建立独轮车机器人虚拟样机模型，在Matlab中基于反馈线性化建立系统的平衡控制模型。联合Adams与Matlab进行平衡运动控制仿真，实现独轮车机器人的侧向平衡控制、俯仰平衡控制和拆卸辅助轮后的定车运动控制。基于侧向平衡虚拟样机模型，分析了控制参数与机械参数对机器人系统的动态响应的影响，结果发现，减轻车身质量和降低机器人整体质心以及合理选择控制器参数，能大幅度降低对电机驱动能力的要求，且能提高平衡控制效果。　　（5）利用搭建的独轮车机器人物理样机模型，分别完成系统在速度模式下的侧向平衡进行控制实验和在电流模式下的前后平衡控制实验，从物理样机实验角度证明了控制器可以快速有效地实现独轮车机器人纵向和横向的稳定平衡。　　论文初步探讨了独轮车机器人的平衡力学机理，并从虚拟样机与物理样机两个方面初步实现了独轮车机器人的侧向倾斜和前后俯仰的平衡控制，为独轮车机器人的轨迹跟踪控制等进一步研究提供了理论依据与实验指导。