球形机器人是一种具有球形外壳、以滚动方式行走的移动机器人。与其它移动机器人相比,球形机器人在机械结构和运动机理方面的独特优势使其在生活娱乐、工业和军事等方面都具有广泛的应用前景。本文主要从结构设计、运动学和动力学建模方法、运动仿真实验分析和运动控制策略等方面对球形机器人展开研究。在总结国内外各种球形机器人结构的基础上,提出了一种由全向轮实现驱动的新型球形机器人结构;该结构主要是利用全向轮在两个正交方向可同时滚动的特性,来驱动球内偏心质量实现球形机器人的全方位运动。首先,针对所设计的球形机器人的运动学特性,采用欧拉角对其在任意时刻的位姿描述进行了研究,建立了球形机器人的运动学方程,确定了球形机器人在运动平面上的位姿。基于牛顿-欧拉方法和拉格朗日方法分别建立了球形机器人的动力学模型,应用龙格-库塔法对动力学方程进行了数值求解,得到了球形机器人状态变量的变化曲线,为球形机器人的运动仿真分析和运动控制研究提供了理论依据。接着研究了球形机器人的运动规律,基于建立的全向轮驱动球形机器人的虚拟样机模型,对球形机器人的直线运动、转向运动、爬坡运动和越障性能进行了理论分析和仿真分析。通过理论分析和仿真分析的结果对比总结出了影响球形机器人运动状态的主要因素。基于建立的状态空间模型,开展了球形机器人控制器设计方法和仿真分析方面的研究。利用现代控制理论中的极点配置算法、线性二次型最优控制算法分别设计了全向轮驱动球形机器人系统控制器并进行计算机仿真分析,仿真结果实现了对球形机器人运动速度的有效控制;最后在运动学层面上,利用反步法设计了球形机器人的路径跟踪控制律,数值模拟结果表明利用设计的控制器可以实现对球形机器人期望路径的渐进跟踪。本文所采用的理论分析、数值求解和仿真实验分析等研究方法已能够较全面地掌握全向轮驱动球形机器人的设计原理与运动规律。研究过程为探索球形移动机器人提供了参考。