在各种移动式机器人产业日渐繁荣和成熟的同时,两轮前后纵向布置的自行车机器人具有可快速通过狭长空间、结构简单、能耗较低等优点,却在社会和学术界鲜有显著发展。本文针对自行车机器人这一具有典型的对称性欠驱动非完整约束系统难于实现的平衡控制问题,根据车体本身质量及其几何关系,通过对其动力学模型的推导和分析,利用力矩相等、受力平衡等原理,期望控制在不同横滚倾角下由电机带动惯性轮转动的加速度和速度维持自行车平衡。同时由多关节仿人型机器人“腿蹬”自行车驱动,使自行车机器人实现有效的自平衡直线、简单曲线及组合路径下的骑行。本论文的主要工作在于自行车机器人的动力学建模和平衡控制器设计,包括探究两种自行车机器人系统分别在车体横滚角同惯性轮电机输出值的关系和车把动态转向过程中车把转动角度与车体横滚角的关系。本文使用牛顿-欧拉法进行动力学建模,设计使用传统的双环PID控制器对“机器人骑自行车”系统的惯性轮电机进行反馈控制,使用多舵机协同控制指令控制仿人形机器人腿蹬自行车和车把舵机的转向,使用蓝牙模块、超声及预定控制时序实现远程通信、避障和沿预定轨迹行进,同时将针对于简化后的自行车机器人系统使用拉格朗日法建模及设计模糊自适应PID控制器,并通过仿真验证和检验两种方案的可行性和控制效果。最后,在完成的“机器人骑自行车”系统上进行了相关实物实验及分析,取得了良好的控制效果。目前国内大多是在研制无机械辅助结构的自行车机器人,该种机器人在行进过程中需要不断转向,无法在慢速情况下通过较狭窄空间,难以做到轨迹的精准控制,因为需要实时地与预定路径相匹配,其鲁棒性较差、数学模型推导复杂、运算量庞大。本文在国家科技支撑项目“机器人技术互动体验系列展品展示关键技术研发”课题的资助下,研究的“机器人骑自行车”系统简单小巧、成本低,具有较强的抗干扰性,为未来其他形式的自行车机器人、独轮车机器人等其他欠驱动系统平衡控制打下了一定基础。