近年来，球形机器人成为机器人领域的研究热点之一。球形机器人具有球形外壳，所有机械结构、控制器件和能源供给部件均密封在球壳之内。球形机器人具有摩擦小、耗能低、结构紧凑、空间利用率高、密封性好、防尘、防震、不易跌倒、可以实现全向滚动等优点。与传统的移动机器人，如轮式、脚式和履带式机器人等相比，具有良好的发展潜力，在军事、交通、监控、搜救、玩具、娱乐等领域具有广泛的应用前景。　　 目前，虽然出现了多种球形机器人的驱动原理，但仍存在很多不足，由于球形机器人的动力学特性是一种复杂的、非线性系统，建立力学模型的传统方法难以适用；球形机器人的高耦合、复杂的非线性特性，也使得球形机器人的控制成为富有挑战性的研究课题，因此，球形机器人的驱动和控制是有待进一步研究的课题。　　 本文查阅了大量的国内外文献，从不同的方面对球形机器人研究现状进行了归纳、分析，对球形机器人的驱动原理、力学模型、控制策略等进行了深入的研究，并结合样机进行了实验验证。具体的研究内容包括以下几方面：　　 (1)提出了一种电磁驱动全方位运动球形机器人驱动原理：通过电磁磁芯与永磁磁钢的吸引或排斥力，带动内部驱动机构绕主轴旋转，实现球形机器人的前进和后退；由电机带动飞轮一起旋转，实现电磁驱动球形机器人的转向运动，两种运动的合成即可实现球形机器人的全向滚动。　　 (2)提出了一种流体驱动全方位运动球形机器人驱动原理：以密封的流体环代替传统的等效摆，通过密封环形容器内的流体流动，改变球形机器人质心，以实现球形机器人的前进和后退；由电机带动飞轮一起旋转，实现电磁驱动球形机器人的转向运动，两种运动的合成即可实现球形机器人的全向滚动。　　 (3)提出了一种既具球形机器人特点，又有轮式机器人特点的新型离合式半球差动球形机器人驱动原理：离合式电磁驱动球形机器人的左右半球有展开、闭合两种状态，当两半球处于展开状态时，具轮式机器人运动稳定性好的特点；当左右半球处于闭合状态时，双环离合式电磁驱动球形机器人则具球形机器人的“不怕翻到、运动灵活”等特点，实现了真正意义上的零半径转弯。　　 (4)分别设计了TSR-Ⅰ型、TSR-Ⅱ型和TSR-Ⅲ型球形机器人样机结构，并对球形机器人的滚动条件、越障能力、爬坡能力、滑动条件、转弯特性等作了静力学分析。为提高球形机器人的越障、爬坡等动力性能，研究了球壳质量M与等效摆质量m比值的影响。　　 (5)基于欧拉角描述的方法，建立了球形机器人的运动学方程，推导出其无滑动滚动运动的约束方程，并以三个欧拉角为广义坐标，采用拉格朗日方程，建立了球形机器人系统的动力学方程，为球形机器人的控制策略的设计、实现奠定了基础。　　 (6)基于一类特殊的非线性控制--变结构滑模控制方法，分别在球形机器人运动学方程和动力学方程的基础上，合理选择了系统的滑模切面函数、建立了运动学和动力学的滑模控制策略，并在MATLAB-SIMULINK的环境下，对所建立的控制策略进行了仿真实验研究。　　 (7)以8051系列单片机芯片作为球形机器人控制系统的主控芯片，搭建了球形机器人的内部控制系统平台，包括主控、直行控制、转向控制和路径检测等四个模块；基于三次样条插值算法，采用光电探测方法，对球形机器人轨迹跟踪的控制策略进行了理论分析和实验研究。　　 (8)以电磁驱动型球形机器人样机为基础，进行了部分实验研究。同时，还基于ADAMS虚拟样机技术，对球形机器人的性能进行了仿真实验研究，以进一步验证本文结构设计及控制策略的正确性。