体操机器人是非线性、非完整、强耦合、多状态、欠驱动系统,以及在稳摆区域属于自然不稳定系统。这类系统能反映出许多控制领域的关键问题。大量国内外的学者投身于体操机器人的控制研究。尽管在仿真平台上能得到很好的控制效果,控制成功的团队有很多,但是在实物平台上控制成功的却很少。其关键问题在于大量研究团队都在理想仿真平台上研究体操机器人的控制,使得研究成果没有实际意义,无法直接应用与实物平台上。本文运用“类等效”建模的方法,结合拉格朗日建模方法建立了系统的精确模型,为后期的控制研究打下良好的基础。“类等效”建模是根据系统的输入输出响应里的主要特性(如:纯滞后、上升时间等)估计系统的结构以及模型参数的范围,采用搜索算法调节模型参数保证模型与实际的偏差在允许的范围内。本文首先运用拉格朗日建模方法建立了系统的以力矩为输入的刚体动力学方程。接着运用机理和数据两种方法分析了三关节体操机器人的模型。根据机器人运作的原理和控制结构,得出机器人驱动系统的方框图,整理、简化后得到电机的机理模型。但该模型结构较复杂,不便于控制分析。进一步采用“类等效”建模方法,用一个较简单的近似模型替代机理模型。根据阶跃响应曲线确定了系统的纯滞后环节,使用频率响应法得到加速度驱动模型的伯德图确定了模型阶次,最后将刚体动力学模型简化并将电机的等效模型嵌入到刚体模型中,得到以加速度为输入的动力学模型。利用改进的遗传算法辨识模型参数。实验证明,模型简化前后精度相似,切与实际平台偏差很小,简化模型是有效的。控制方面应用仿人智能控制的多模态控制思想,将体操机器人的摆起倒立过程按时序划分为多个模态,每个模态采用不同控制器。原本十分复杂的控制过程就转化为多个简单控制。平衡控制是体操机器人最关键、最难的控制阶段,本文采用LQR控制器,并运用改进的遗传算法搜索最优的控制参数。但实验结果表明,在精确模型搭建的仿真平台上,单独运用LQR控制器控制的效果并不理想,稳定域太窄。