体操机器人是一种自身驱动数目小于自由度数的典型欠驱动系统。这种系统具有复杂强耦合的内部特性,由此导致难以进行反馈线性化的非完整约束,该系统是验证非线性控制方法的理想模型。欠驱动系统在生产生活中广泛存在,例如空间机器人、移动机器人和四旋翼飞行器等等。本文主要研究了体操机器人的倒立平衡和换杠飞跃两种动作。倒立平衡是体操机器人摆起到竖直向上不稳定平衡点并保持平衡;换杠飞跃是机器人在两根平行单杠之间飞跃的过程,即体操机器人在其中一个单杠上摆起到合适的初始状态后,松开手爪,在空中进行姿态变换之后,以合适的姿势抓取另外一根与之平行的单杠。围绕体操机器人的两个主要动作,本文的主要工作如下:首先,将体操机器人的运动划分为抓杠运动和离杠运动,并对这两种运动进行了数学建模。其中,采用拉格朗日方程对抓杠运动进行了动力学建模;而在离杠运动过程中由于体操机器人在空间未受到外力矩作用,据此推导了角动量守恒方程。上述模型在MATLAB/Simulink中进行了验证。其次,提出了部分反馈线性化与李雅普诺夫控制器切换的体操机器人分段摆起控制策略,设计了基于LQR算法的倒立平衡控制器,并对换杠飞跃过程进行了运动规划。该分段控制器在起始阶段利用部分反馈线性化使得机器人的机械能快速累积,当达到阈值范围内切换到李雅谱诺夫控制器,使体操机器人获得倒立平衡与换杠所需的运动状态。在此基础上,利用LQR算法实现了体操机器人的倒立平衡控制。同时,获得了换杠动作的初始条件,实现了体操机器人的换杠飞跃。该算法通过MATLAB/Adams进行了联合仿真,验证了控制及规划效果。再次,对体操机器人的杠上理想动力学方程进行了修正,在其中加入摩擦项,并利用最小二乘法进行了参数辨识,该方法提高了参数精度。最后,搭建了所研制体操机器人的软件框架。将前述控制方法应用到实物平台上。实验结果表明,所设计的控制方法能够实现摆起、倒立平衡控制,并且具有较好的鲁棒性。