球形机器人是一种新型的外壳为球形的机器人,其运动方式以滚动为主。该类机器人依靠球壳内部的驱动机构实现滚动行走,具有很强的姿态恢复能力,同时具有机动性强、耗能低等优点。因此,球形机器人在军事、工业和民用上都有着很广泛的应用前景,受到国内外越来越多专家和学者的关注。总体看来,现有的球形机器人方案各有千秋,但大多存在着结构复杂、工程实现较难、实用性较低的不足。特别是,有些驱动机构原理复杂,加大了运动控制难度;不能在球壳外搭载附件,限制了机械执行装置的有效使用;未能提供稳定平台用于搭载各种仪器设备,降低了球形机器人的实用性。上述问题在很大程度上限制了球形机器人的推广与应用。本文设计了一种结构简化球形机器人,已获得国家发明专利(专利号ZL200810020280.7)。该全方位运动球形机器人结构简单、实用性强,具备环境和姿态感知能力,可在球壳外搭载附件,并提供了稳定平台,克服了现有方案的不足。球形机器人是一种典型的非完整系统,本文根据其在平面作纯滚动时所受的非完整约束,建立运动学模型;运用Lagrange-Routh方程推导出结构简化球形机器人的动力学模型,利用Simulink进行了动力学仿真分析。同时,本文进行了整体机械设计,参与了球形机器人整个控制系统的硬件电路设计过程,包括基于TMS320F2812的本体控制系统和基于CC2430的无线测控系统,编写程序调通电路中各个模块,并设计了控制系统前后台方式下的控制程序。通过移植嵌入式实时操作系统μC/OS-II至本体控制芯片TMS320F2812中,设计应用任务,实现了由操作系统内核调度各个应用任务,使得系统具备了更好的实时性,而且软件具备更高的质量,后期维护和扩充功能更加方便。为了便于人机交互,本文利用C++ Builder设计了基于串口通信的上位机测控软件,制定串口通信协议,实现了上位机对结构简化球形机器人的控制。最后,本文完成了机器人的装配工作,并针对整个机器人系统进行实验,实验结果表明结构简化球形机器人能够进行全向运动,并具备环境和姿态感知能力,具有能耗低、驱动结构简单、提供稳定平台、能够搭载机械执行装置等一系列优点。