本文主要研究能在自行车和Segway两种模式之间切换的变结构两轮机器人。Segway和自行车各具优点,Segway在平坦、宽敞的路况上运行更具优势,而自行车在崎岖、狭窄的路面更具优势,因此本文讨论的变结构轮式机器人具有较强的实用价值。由于两轮车具有静态不稳定的、欠驱动、非完整约束等特点,使得对其研究具有较强的理论意义。本文首先对变结构轮式机器人的运动关系、力学耦合特点进行了分析,包括对变结构轮式机器人一般运动形式的运动学分析以及一种模式切换(同步转动两车叉)过程的运动学分析,针对上述两种运动形态均建立了阿佩尔(Appell)和查普雷金(Chaplygin)动力学模型,并分别通过Matlab数值仿真与Adams虚拟模型仿真进行对比,验证了两种动力学模型的正确性。基于建立的同步转动车叉过程的两种动力学模型,研究了固定两个车叉转角情况下的滑模控制器设计,通过Matlab和Adams联合仿真验证了基于两种动力学模型的滑模控制器的有效性,并通过联合仿真结果对比了两个控制器控制效果的差异。为了既实现变结构轮式机器人的模式切换(同步转动车叉)又保持机器人机体平衡,本文研究了所设计的滑模控制器的参数对控制效果的影响规律,基于这些规律,设计了模糊滑模控制器。在模式切换的过程中,通过模糊规则对滑模控制器的参数进行调整,实现了机器人工作模式的平稳切换。最后,本文设计并搭建了变结构轮式机器人的测控系统以及上位机信息采集系统。