球形机器人具有轮式机器人的机动性能和承载能力,并且综合了腿式机器人适应不同地形环境的优点,同时具有体积小巧、轻便灵活等特点,是一种可以全方位自由行走的滚动机器人机构。本文设计出一种由全向轮和内、外球壳组成的摩擦式内驱动球形机器人机构,论文以摩擦式内驱动球形机器人为研究对象,围绕着动力学建模和轨迹控制这两个方面展开,主要完成工作如下:(1)设计出一种由三个全向轮和内、外球壳组成的新型球形机器人机构,该机构利用全向轮和牛眼轮等结构部件设计支撑驱动装置,并将其对称封装在球壳内部;全向轮的中心位于自球心引出的三条正交的轴线上,全向轮的轴线相交于一点,这一点位于球心的正上方。(2)根据摩擦式内驱动球形机器人的结构特点,对球形机器人进行了运动学与动力学分析,并基于查浦雷金方程建立了球形机器人的两个版本的动力学模型,其中,第一版本的动力学模型方便对内、外球壳的姿态进行控制,第二版本的动力学模型方便对球形机器人进行轨迹控制研究,并通过数值仿真验证了两个版本模型推导过程的正确性。(3)基于系统的非完整约束分析;采用物理样机试验对建立的全向轮与球壳之间的非完整约束关系进行试验验证,结果表明,无论是在电机驱动下还是人手拨动球壳,约束关系的实测值均能够对计算值进行较好地跟踪,有效地验证了全向轮与球壳之间的非完整约束关系的正确性、全向轮驱动的有效性。(4)设计并搭建完成了摩擦式内驱动球形机器人物理样机,具体包括球形机器人机械机构以及基于工控机和数字信号处理器(DSP)为核心的摩擦式内驱动球形机器人测控系统;最后开发了球形机器人上位机软件控制界面。(5)利用部分反馈线性化方法设计了摩擦式内驱动球形机器人定位运动、S曲线运动、圆周运动、自转运动以及姿态运动的控制器,利用Matlab数值仿真验证了所设计的控制策略的可行性与正确性,并且分析了全向轮半径大小对S曲线运动控制的影响。(6)基于球形机器人自转运动的运动学分析,完成了球形机器人自转运动的样机实验,实验结果表明:受到地面对球形机器人的摩擦力的影响,相比全向轮的速度为常值时,全向轮的速度为正弦变化规律数值时的球形机器人自转运动效果更好。