球形移动机器人利用球形或类球形外壳作行走装置,将驱动机构和控制模块等都安装在全封闭的外壳内,以滚动运动为主要的移动方式。特殊的构型和运动方式使得球形机器人与传统移动形式的机器人相比具有很多独特的优势。目前已有球形机器人实现了移动性能,不具备对外操作能力,无法在一些特定环境中完成复杂任务,这大大限制了球形移动机器人的发展。针对此问题,在现有球形移动机器人的基础上,提出了一种用于紧急救援的可从高空抛撒的带臂球形机器人,其融合移动机械手的特点可执行对外操作,同时加装降速缓冲机构,在某些极端无人环境中,可以借由人力或飞机从高空布撒至工作区域,进而执行搜救工作。这种机器人不仅具有球形移动机器人运动灵活的特性,更因其可伸缩臂在特殊的场合可兼做手臂及足使用,扩大了球形移动机器人的应用范围。与传统的球形机器人相比,可从高空抛投的用于紧急救援的带臂球形机器人(BYQ－4)突破了全封闭结构,机构耦合度高,兼有非完整约束和欠驱动的特点,在理论研究上具有相当大的难度,球臂耦合的模型特点为球形机器人的建模及控制提出了新的挑战；而在高空布撒的工作需求下,其保护机构的保护能力成为机器人正常工作的前提。本论文的主要研究工作如下：(1)根据救援时某些极端环境下的高空布撒需求和带臂球形机器人的对外操作要求,制定带臂球形机器人和减震缓冲装置的结构设计方案,并分析其机构性能。(2)根据带臂球形机器人的结构特点和各部分约束关系建立球臂耦合系统的运动学模型,并基于凯恩方程建立该系统的动力学模型,为进一步的实施控制策略和优化设计提供理论基础；通过分析机器人构型特点和运动特性,提出BYQ-4的性能评价指标,利用改进的遗传算法进行机器人的优化设计。(3)分析带臂球形机器人的可控性,根据机器人的结构特点,将对外操作运动简化为“球体运动”和“抓取运动”的联合运动,详细分析这两部分的运动特点和控制方式,采用运动解耦式控制方法和“时间-状态”控制方法实现机器人本体的位置跟踪和姿态控制,进而实现机械臂末端的对外操作功能。(4)深入研究关节摩擦、滑动摩擦、滚动摩阻等非线性摩擦对球形机器人运动性能的影响,并针对实际情况中的球壳不圆度问题,利用分段建模方法建立更为接近实际情况的球形机器人动力学模型；针对非理想因素的不可精确测量性和未知性,采用自适应机制矫正控制系统参数,实现稳定控制,最后通过仿真和实验结果验证了非理想条件下球体的运动特性以及自适应控制方法对于这种非理想模型的有效性。(5)对作为载体和主要运动机构的球壳进行强度分析,针对地面行走和高空布撒两种工况,设计球形机器人的保护机构——网状球壳；借用牛顿-欧拉法分析网状球壳包覆下的球形机器人的运动特性,并进行样机实验,为改进球壳设计提供理论基础和实践经验。