近年来,移动机器人正在处于快速发展当中,将机器人的不同行进模式结合起来增强机器人的适应能力和灵活性,已逐渐成为一种普遍的研究趋势。机器人较为典型的行进模式有轮式移动、爬行和飞行,而这三种行进模式在速度、越障能力、耗能方面具有一定的优劣互补性,结合球形外壳能更好的保护机器人内部结构,本文将设计并研究一种用于复杂环境探测场景下的具有多种行进模式的可变形机器人。本文在机器人各模式的功能和性能指标下,设计和优化了机器人的机械结构。其中,重点优化了机器人可集成在球壳内的重力驱动差速平衡车机构、四足爬行机构和爬行模块变形机构,并在球面结构内进行了机器人各个机构和控制硬件实体模块的整合以及最终构型的优化。分析了三种行进模式下机器人的受力情况,建立了爬行行进的运动学模型和飞行行进的控制模型,确定了可变形机器人的加工方案。设计了机器人三层架构的控制系统,分别是上层控制程序实现层、嵌入式软件层、嵌入式硬件控制层。上层基于树莓派3运行ROS,使用串口和运行嵌入式软件控制层的STM32和大疆A3飞控进行通信。根据机械实体构建了机器人在ROS和Gazebo下的统一模型描述文件,设计通过自平衡移动节点、四足爬行节点、四旋翼飞行控制节点以及行进模式切换节点完成了机器人的自平衡、行进模式切换、四旋翼飞行的仿真,在仿真环境中验证了控制程序的性能。集成了机器人的机械、传感、控制系统,标定了机器人各爬行模块关节变量在不同行进模式下的步态参数,通过串口将控制节点的指令下发到STM32控制机器人,开展了机器人的平衡车移动、爬行、行进模式切换以及飞行实验。对实验结果进行了分析,验证了具有多种行进模式的可变形机器人在三种行进模式的功能指标和性能指标。