独轮机器人是一种特殊的新型移动机器人,其动力学系统高度复杂,具有非线性、多变量、强耦合等特点,尤其是其动力学强耦合和全方位姿态不稳定使其无法像双轮机器人一样自由运动,因此,自由运动过程中的姿态镇定、运动效率的提高至今保留为开放的问题。而且,姿态不稳定性及机器人动态平衡问题的解决本身就是控制理论和动力学研究领域的难点。本文针对5自由度独轮机器人运动效率低,不能自由转向的问题,提出了具有自旋转功能的结构概念,并设计了面向自由移动功能的具有偏航能力的6自由度独轮机器人,研制出了机械本体,为后续样机实验奠定了基础。由于机器人的结构决定了其动力学模型的建立、动态平衡性能及运动控制性能,所以本文从机器人的动力学建模、姿态控制算法、运动控制仿真分析、机械参数优化等方面对设计的6自由度独轮机器人进行研究分析。本文通过分析独轮机器人的运动规律,根据拉格朗日方程建立了独轮机器人的动力学模型,并设计了时变增益和固定增益的控制策略,从数学方法上分析和证明了系统的渐进稳定性,实现了机器人的动态平衡控制,并对转向控制方法做了研究。通过MATLAB各种仿真实验验证了所设计的控制算法的可行性和有效性,并在与固定增益控制器的仿真比较中,验证了时变增益控制器的先进性和优越性。运用基于ADAMS的虚拟样机技术对机器人的稳定性进行了仿真分析,使仿真更符合实际环境。最后,独立设计了面向自由移动功能的独轮机器人机械本体,并对各部分功能做了详细介绍。