本文的研究对象是一款变结构轮式机器人,通过结构变换成三种不同的结构:自行车、Segway和三轮车。根据不同的工作环境和需求转换到相应的工作模式。本文针对该机器人的结构设计,运动特性,动力学模型以及控制策略等方面进行了研究。首先,本文对自行车、Segway和三轮车的结构和运动特性进行了分析,对比异同并基于切换需求设计了变结构轮式机器人的机械结构。在基于无滑动摩擦的前提下,对变结构轮式机器人的运动特性进行分析,根据不同的运动特性得到自行车模式,Segway模式与自行车模式与Segway模式之间的切换过程的非完整约束。基于Kane方法建立了变结构机器人处于自行车模式、Segway模式以及两种工作模式之间的切换过程的动力学模型。在动力学模型的基础上,本文基于平衡点附近的近似条件将变结构机器人在自行车模式的非线性动力学模型线性化,并设计了PID控制器。本文使用Matlab中的Simulink模块对设计的控制器进行了平衡控制仿真。从仿真结果可以看出,设计的PID控制器可以实现机器人的前车叉转角、前车轮转角角速度以及横滚角的控制。最后,在比较了三轮车、Segway和自行车之间运动特性的差异后,设计了一款防侧翻的车厢结构,使得三轮车运动具有自行车运动的特点。自行车后轮的接地点类似于一个铰链,直行时车架不会左右晃动,在转向时车架可以倾斜一定角度。基于自行车接地点的类铰链原理,在三轮车厢接点处设计一个铰链,可以实现与自行车运动类似的特性。在直行时调整铰链角度保持车厢竖直,在转向时调整车厢偏转,实现类似于自行车的乘坐体验。