随着科学技术的迅速发展,机器人特别是移动机器人正逐渐崛起。球形机器人是一种特殊的具有全封闭的球形或类球形外壳的移动机器人。球形机器人能够进行全方位行走,运动速度快,零转弯半径,具有灵活的运动能力。在此基础上,为球形机器人增加执行机构就产生了具有操作能力的带伸缩臂球形机器人。本论文的研究内容来源于国家863项目“一种带伸缩臂的全方位滚动球形机器人的研制”(课题编号:2006AA042243),是该项目的重要组成部分。本论文将以带伸缩臂的球形机器人为主要研究对象,基于虚拟样机技术对球形机器人的运动学和动力学进行分析和研究,主要研究内容如下:首先,针对带伸缩臂球形机器人的行走机构特征—配重驱动型球形机器人,采用牛顿-欧拉法和拉格朗日法分别建立了其动力学模型,并基于虚拟样机仿真软件ADAMS对动力学模型进行验证,得出了该类型的球形机器人的结构参数对动力学特性的影响,将动力学的研究和球形机器人的结构设计结合起来。其次,以带伸缩臂球形机器人为研究对象,针对其操作能力和操作任务特性的问题进行研究。对机器人操作手的运动学问题进行了分析研究,获得了球形机器人操作能力的重要参数。对带伸缩臂球形机器人的两种操作任务进行了规划,并在ADAMS下进行了仿真验证,解决了球形机器人的操作问题。再次,从弹性力学的角度,对带伸缩臂球形机器人在两种操作状态下的球壳强度进行了校核分析,得到了球壳在不同条件下的位移、应力和应变值。在有限元分析软件ANSYS中,采用有限元方法进行了球壳的强度校核实验,完成了球壳的强度校核。同时,根据第四强度理论对带伸缩臂球形机器人的支脚部分进行了强度校核。最后,对带伸缩臂球形机器人的物理样机进行了实验,对前文的研究成果进行了验证。