自行车机器人是一个非线性自然不稳定的系统，该系统具有静态不稳定、动态稳定的特点。由于自行车机器人的本质非线性、强耦合等特点，以及其所具有的复杂的动力学特性，使得自行车机器人的自稳定控制比较困难。因此自行车机器人的动力学建模与控制问题成为了机器人学领域的研究难点之一。针对这一问题，本文利用建模、控制器设计和实验仿真的方法，对自行车机器人的平衡控制进行了研究。首先，采用拉格朗日方法建立了依靠调节车把保证自行车机器人平衡的单输入单输出(SISO)非线性动力学模型，并且利用近似线性化的方法将SISO非线性模型进行了线性化。考虑到自行车运行速度对于车体姿态的影响因素，然后建立了以转动车把和改变后轮驱动速度作为调节方式的自行车机器人的两输入两输出的非线性动力学模型。其次，针对单输入单输出非线性动力学模型，设计了常值切换控制器和比例切换控制器。针对两输入两输出的非线性动力学模型，设计了Terminal滑模控制器。仿真结果表明，所设计的常值切换控制器和比例切换控制器具有全局稳定性。Terminal滑模控制器既减小抖振又保证系统响应的快速性，跟踪误差能够在有限时间内收敛到零。从而能够更加有效的实现自行车机器人的稳定控制。