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含有非驱动关节的机器人是近年来开始出现的一个较新的研究领域，由于欠驱动机器人系统能简化控制、减轻重量、降低能耗及制作成本低等优点，引起不少国内外研究者的关注。体操机器人是一类具有二阶非完整约束的欠驱动机械系统(驱动单元少于系统的自由度)。
体操机器人是欠驱动多输入多输出复杂系统的典型例子。体操机器人的摆起倒立动作运动范围大，运动具有高度的复杂性和非线性，可以检验控制理论和控制方法在非线性、欠驱动、多变量复杂系统控制上的有效性。
目前，对欠驱动体操机器人的研究集中在两关节的体操机器人上，而两个关节的体操机器人并不能很好地模仿和借鉴人在体操运动中的控制技巧。本论文在两关节模型及分析人的关节运动特性的基础上设计了关节力矩和旋转角度受限的三关节体操机器人，两个驱动关节和一个非驱动关节的单杠体操机器人。体操机器人具有两个平衡点，其中垂直向下的平衡点为稳定平衡点，垂直向上的平衡点为不稳定平衡点。体操机器人的控制目标是把它从垂直向下的稳定平衡点摇起到垂直向上的不稳定平衡点，并平衡在这个不稳定平衡点上。
本论文在体操机器人的机械传动中，没有采用体操机器人传统的同步带传动，而是采用传动效率较高、传动比准确、寿命较长、工作可靠性较高的两轴线相交的圆锥齿轮传动。同时体操机器人本体不同于传统体操机器人仅仅是两个连杆，而是在驱动和外观上都做到了类人形。
本文立足于采用拉格朗日力学的方法建立三关节欠驱动体操机器人的数学模型。在摇起控制中，采用基于正弦和斜坡函数的控制策略向体操机器人输入能量，从而保证体操机器人平滑地达到平衡区。当体操机器人达到平衡区后，设计LQR控制器，使体操机器人稳定在不稳定的平衡点。采用由ADSP2181数字信号处理器和FPGA组成，可以实现高性能控制运算的GT-400-SV-PCI可编程运动控制器通过硬件设置和DOS环境下软件编程，构成满足自身应用需要的控制系统，完成体操机器人的摆起倒立过程控制。
研究体操机器人的控制，目的在于探讨非完整欠驱动机械系统的控制方法。研究体操机器人这样一类非完整欠驱动机器人的控制策略，对于欠驱动机械系统、非完整性系统、复杂非线性系统和太空机器人系统的控制是非常有用的，而且可以利用高科技训练体操运动员提高成绩，向自身极限挑战。