行星探测机器人小型化、群体协作是未来的发展趋势,然而小型化后探测机器人的性能会受到影响,虽然可以采取多车群控的方式来弥补这种缺陷,但是需要提高单体机器人的个体功能,用以增强多车协作时组成的探测系统的容错性。带有操作臂的小型单轮探测机器人可以实现操作、运动两种工作模式,并且可以两两组合重构,具有重要的研究意义。针对原有的机器人结构刚度、运动空间受限等问题,改进腕关节处支撑结构与系统的传动结构,用以增加机器人的刚度,将机器人操作臂,步进电机,控制电路集成一体,解决机器人在运动过程中由于走线造成的运动空间受限问题,并且重新设计步进电机和舵机驱动电路,增大系统的驱动能力。基于D-H方法建立机器人正运动学和逆运动学;应用牛顿力学定律结合机器人的结构特点,分析机器人在不同构型下的各种越障条件,跨越壕沟条件,爬坡条件和转弯条件;建立了机器人操作模式和运动模式转化条件;并以机器人越障条件为基础,根据不同的运行环境,利用机器人操作臂长度可变得特性,规划了机器人的越障过程,增加了机器人的越障高度。采用Lyapunov函数设计了速度模式轨迹跟踪控制器和加速度模式轨迹跟踪控制器,实现对预定轨迹的跟踪,并应用Matlab进行了仿真验证,证明了轨迹跟踪控制器设计的正确性。最后建立了实验系统,实现了机器人在操作模式下抓取与放置物体实验,以手爪为轴的自转实验;在运动模式下越障,爬坡实验;机器人由运动模式向操作模式转化试验。验证所研制的机器人机械结构,驱动电路设计的合理性,控制软件和所建立的机器人逆解,越障条件,爬坡条件,越障规划的正确性。