本论文以国家863《一种带伸缩臂的全方位滚动球形机器人的研制》(课题编号:2006AA04Z243)项目为背景,以球形移动机器人为基础,对带臂球形机器人系统进行了设计,包括了结构设计,控制系统设计,稳定平衡分析,并且提出了一种新颖移动机器人避障及多机器人协同路径规划算法。本文首先介绍了球形机器人的国内外发展状况,并介绍了移动机器人控制系统的现状以及移动机器人避障及路径规划算法的研究现状。在带臂球形机器人结构设计中,将带臂球形机器人分为运动驱动部分,机械臂部分,支撑稳定部分三个子部分进设计,通过比较待选方案,得出最后的整体方案,然后对各个部分的尺寸进行估计,然后通过实际的设计调整确定最后的设计尺寸并给出了基本的性能指标。在本章中,还根据驱动执行部件的需求,对驱动电机及减速器进行了选型。在带臂球形机器人控制系统设计中,首先对带臂球形机器人的控制系统进行设计,通过方案比较,最终选择分布式ARM控制系统方案并进行系统设计,然后从传感器,通信方式两个方面出发,对系统控制需求进行分析和器件选型。在带臂球形机器人运动学动力学分析中,首先介绍了球形机器人的圆盘模型,然后在圆盘模型的基础上对带臂球形机器人的稳定状态控制进行了分析,得出了当支撑装置不支开的时候,为了保持整个带臂球形机器人的平衡状态,抓取状态与重摆姿态的关系;以及在不同的滚动摩阻下,带臂球形机器人从非平衡状态回复到平衡状态的特征,并通过实验数据对性质进行了验证。在移动机器人避障及路径规划研究中,提出了一种全新的基于虚拟机械臂模型的移动机器人避障和多机器人全局路径规划的算法,并对算法进行了分析和仿真验证。在论文的最后,对整个的带臂球形机器人的设计工作进行了全面的总结。