球形滚动机器人是移动机器人重要分支,作为一类外形轮廓呈球状的新型移动机器人,球形滚动机器人具有抗外界干扰能力强、滚动行走灵活、理想转弯半径为零、无失稳状态、驱动零部件和控制元件配置于球壳中等特点。近年来球形滚动机器人不仅由原有的构想变为现实,而且已经出现了具有多种内部构型的原型样机。球形滚动机器人具有较强的复杂物理环境适应能力,在众多领域得到实践应用,具有较高的应用价值。但现有摆式驱动球形滚动机器人存在驱动力矩有限、运动密封性差、动力学建模不成熟、运动控制难度高等问题,针对这些问题本文提出一种具有良好运动密封性、较大驱动力矩和全向运动能力的双驱动、单摆式球形滚动机器人,其可应用于环境探测、室内外巡检、灾后搜救等领域,本文分别对该球形滚动机器人的机械结构设计、运动学与动力学建模、轨迹跟踪控制器设计等关键问题进行了研究。本文主要围绕以下主要研究内容进行展开:首先,在分析现有球形滚动机器人的构型基础上,基于偏心力矩驱动原理提出一种双驱动、单摆式球形滚动机器人。该球形滚动机器人主要由球壳、主梁、重摆等部分构成,在横向驱动电机和纵向驱动电机的作用下可实现全方位的滚动运动。分别对该球形滚动机器人的球壳、主梁、重摆、驱动装置、传动机构等关键部分进行了设计和选择,并对该球形滚动机器人的爬坡能力和越障能力进行了分析以验证理论设计的正确性。其次,针对该球形滚动机器人的地面滚动运动,分别建立了球形滚动机器人的非完整运动约束方程与空间多刚体动力学模型。根据双驱动、单摆式球形滚动机器人的机械结构特点对实际机器人系统做出合理假设,在此基础上建立球形滚动机器人在水平地面上滚动的多刚体系统简化模型,推导了球形滚动机器人在水平地面上运动的平面-球系统非完整约束方程。分别计算均质对称的薄壁球壳、对称的主梁与铰接在主梁上的重摆的动能和势能,经过合理的简化并在此基础上利用含约束乘子的拉格朗日方程,推导出球形滚动机器人系统的多刚体动力学模型。最后,针对球形滚动机器人的轨迹跟踪问题,提出一种基于广义super-twisting二阶滑模干扰观测器和双幂次趋近律的轨迹跟踪控制器。根据机器人系统轨迹跟踪的控制目标,设计被控机器人系统的滑动变量。基于所设计的滑动变量,定义系统的辅助滑动变量。基于所定义的辅助滑动变量,设计连续的广义super-twisting二阶滑模干扰观测器对系统不确定性进行准确估计。基于所设计的滑模干扰观测器,采用双幂次趋近律设计轨迹跟踪控制器。基于MATLAB仿真软件分别进行球形滚动机器人的直线轨迹和圆形轨迹跟踪控制仿真实验,仿真结果验证了所提出的轨迹跟踪控制算法的有效性。