星表探测是未来深空探测工程十分重要的一步,本文基于火星星表探测为背景,设计了一款可全向跳跃的球形机器人。本文设计的机器人以跳跃为主要运动方式,在重力较低且环境复杂的火星星表会有出色的表现。在机器人本体的结构设计中,跳跃结构选取单向轴承与齿轮组相互配合,控制储能弹簧压缩与释放,完成电能到弹簧弹性势能的转变,机器人在支撑杆撞击地面的反作用力推动下实现跳跃;为满足机器人落地之后姿态调整以及控制起跳角度的需求,创新地设计了由两个轴向垂直的步进电机驱动的转台调节结构;通过与外部类富勒烯的球形保护框配合,实现跳跃方向全向调整的目标。在结构设计基础上,本文建立了以树莓派为硬件控制核心、ROS为软件控制工具的电控系统,选取姿态传感器和摄像头模块为传感器单元,采集机器人自身位姿状态与周围环境信息,并实现跳跃电机、转台电机控制与电路供电需求。利用几何关系,文章提出基于结构干涉现状的电机控制方案,解决了有效跳跃角度的选取问题。为了分析机器人的运动性能,本文建立了跳跃机器人运动学和动力学模型,分析了跳跃过程中影响机器人跳跃的自身与环境因素。依据实际工作环境中越障需求,分析距障碍物距离和起跳角度两个因素对跳跃结果的影响。最后针对动力学模型中打滑现象降低机器人运动性能的问题,利用Adams进行了仿真验证。机器人实际运动性能的测量与评定需要利用传感器进行位姿变化的估计,所以本文设计了基于加速度计和陀螺仪的位姿估计方案。利用经零偏校正的角速度与加速度数据,建立姿态四元数的时间更新微分方程,使用传感器零偏漂移与随机误差构建线性卡尔曼滤波器计算姿态;位置估计中为减少积分误差,利用跳跃运动学特征对积分得到的速度进行修正并补偿初始加速度信息,提升了位置估计的准确性。文章最后设计跳跃实验,验证可全向跳跃的球形机器人运动性能,并证明位姿估计设计符合要求。