随着集成电路与微电子技术的快速发展,胶囊内窥镜体积明显减小,并被广泛用于胃肠道疾病的检查,相较传统的插入式电子胃窥镜,胶囊内窥镜在无创性、安全性和检查舒适性等方面优势显著。随着胶囊机器人技术的日渐成熟,主动驱动行走的无线胶囊机器人成为了医疗器械领域的研究重心。然而,人体胃及肠道质地柔软、凹凸起伏,这种多坡度非结构复杂环境对主动胶囊爬坡性能提出了更高要求。针对多数主动胶囊内置电源容量有限的问题,课题组利用空间万向旋转磁场作为外部动力源,配合胶囊内嵌的永磁体实现了双半球胶囊机器人的滚动行走,此方案不仅解决了机器人工作时长受限的难题,还使其位置与姿态的主动控制变得更加灵活高效。不过在实际的胃肠道检测中,胶囊机器人需翻越肠道内众多的大肠皱襞,此突起结构形成的坡度环境极大增加了机器人的稳定控制难度。为了保证机器人可以在多种场景中具备良好的动态表现与行走效果,本文着重对双半球胶囊机器人的爬坡动态特性、爬坡能力以及诸多可变化参数与系统稳定性的影响规律进行了探究。首先,本文利用力矩平衡及动量矩定理建立了双半球胶囊机器人爬坡时须满足的各项基本条件,探明了磁场参数、机器人结构参数等其他参数与胶囊爬坡运动条件的对应关系。此外,采用基于能量耗散的拉格朗日方法建立了胶囊前向爬坡动力学模型,分析了运动参数变化趋势,揭示了双半球胶囊机器人具备速度跟随的可能性;结合纯滚动条件,得到磁场强度及静摩擦因数对爬坡角度的影响情况,证明了双半球胶囊机器人突出的爬坡能力。其次,本文根据双半球胶囊机器人的运动形式得到了爬坡时的运动约束方程,选取了可描述系统位姿的广义坐标,利用拉格朗日乘子法建立可描述胶囊爬坡时姿态变化的完整动力学方程,为后续的姿态角回归能力分析及稳定性规律的探究提供理论支撑。然后,根据李雅普诺夫稳定性理论,本文对非线性时变微分方程组进行降阶及在不动点处的线性化处理,得到了可代替原系统进行分析且更易处理的线性时变系统。同时,采用区间状态转移矩阵逼近算法完成姿态角的数值解求解,并验证了该算法的适用性。为判断稳定性,将一周期状态转移矩阵特征值作为可表征系统稳定性的特征指数,探究了多个典型参数对系统稳定性的影响趋势,确定了稳定参数调控范围,为双半球胶囊机器人的临床稳定性控制铺平道路。最后,根据实验需求设计了可随意调整角度的斜坡装置,通过三部分试验探究了双半球胶囊机器人爬坡速度跟随能力、磁场强度对爬坡角度的影响情况以及典型参数对系统稳定性的改变趋势。经归纳可知,试验数据显现的规律与理论仿真得出的规律大致相同,理论分析具备实际应用性,为将来双半球胶囊机器人爬坡及其他复杂运动的稳定行走提供了参考借鉴。