随着科学技术的进步,机器人被广泛应用到各个领域,例如工业、军事、医疗等。而立方体机器人是机器人研究中的典型代表,由于其系统具有典型的非线性、强耦合、多变量等特点,因此对其平衡控制方法的研究具有一定的挑战性。本文以立方体机器人为研究对象,研究立方体机器人单面和立体的平衡控制问题。首先,设计了一种立方体机器人结构,并在此基础上建立其动力学模型;其次,基于立方体机器人动力学方程建立其状态空间方程,分析了其稳定性和能控性;最后,基于状态空间方程设计控制器,将其应用于立方体机器人平衡控制。实验验证了所建立模型的正确性和控制器的有效性,本文主要工作如下:首先,设计了一种立方体机器人,主要包括立方体机器人结构设计和电气系统设计两部分。立方体机器人主要由立方箱体、垂直安装在箱体三个面上的惯性飞轮、电机、传感器、刹车装置和含微处理器的控制电路等构成。电气系统包括微控制器、驱动模块、传感器模块和电源管理模块设计。其次,分别对立方体机器人单面和立体进行动力学分析。定义了立方体机器人坐标系,并对立方体机器人模型简化,忽略系统运动中的空气阻力,基于Lagrange方程建立其动力学模型,并采用Matlab/Simulink对动力学模型进行仿真分析,从理论上对所建立动力学模型进行仿真验证。然后,分析了立方体机器人平衡控制原理并设计了其运动控制器。基于立方体机器人动力学方程建立其状态空间方程,通过对立方体机器人状态空间方程分析了系统的稳定性和能观性。为了立方体机器人系统平衡控制的稳定,分别对立方体机器人单边和立体设计线性二次型调节器(linear quadratic regulator,LQR)和状态反馈极点配置(State feedback pole configuration,SFPC)控制器,并通过仿真分析判断控制器设计的可行性。最后,制作搭建立方体机器人实物实验平台,对立方体机器人平衡控制进行测试。实验进一步验证所设计的结构、动力学分析以及控制器设计的有效性。