球形机器人是指一种外形为球形的移动机器人,将运动机构、传感器、控制器等零部件均内置于一个球壳内部、利用球壳作为其滚动行走装置。与轮式、履带式等移动机器人相比,球形机器人运动灵活,而且因为所有的机械结构与电路控制系统均放在球壳的内部,利用球壳进行保护,使其不会因为恶劣的外界环境出现损伤,能够增强系统的稳定性,因为球状外形的几何特性,在球形机器人运动过程中,当与障碍物或其他的运动机构发生碰撞也会在经过短暂的不规则运动后恢复稳态。并且当发生从高处跌落等危险情况时,仍然可以继续工作,不存在因为翻仰导致无法工作的问题。因此,球形机器人在野外作业、反恐及灾难救援和社会服务等领域都具有相当广阔的应用前景。但是,现有球形机器人受限于全封闭球形外壳和特殊的滚动行走方式,缺少搭载外部测量传感器的能力。造成其环境感知能力较弱等问题。另一方面,部分球形机器人或者能够具备搭载外部测量传感器的平台,却因此难以实现快速启动,无法灵活的转向滚动等。所以现有的球形机器人很难兼顾快速启动与搭载外部测量传感器两者,而对于一个机器人来说,稳定灵活的运动性能与对外界灵敏感知能力缺一不可。针对上述问题,本文在现有球形机器人的研究基础上进行改进,提出了一种新型的具有控制力矩陀螺球形机器人,根据其机械结构与动力学模型,设计机器人控制系统并搭建物理样机,完成相关实验。本文主要研究内容如下:(1)由于球形机器人的封闭球壳限制,本文提出一种具有控制力矩陀螺的球形机器人,设计球形机器人的机械结构并根据机器人的运动原理进行动力学建模,并进行简化与解耦分析作为机器人的控制器设计的理论基础。(2)根据球形机器人的经过简化解耦的线性化动力学模型,设计其专属的运动控制器。该控制器包括球形机器人的内环速度控制器与外环姿态控制器两大部分。建立具有控制力矩陀螺球形机器人的Adams虚拟样机,并联合MATLAB/Simulink进行仿真分析,验证机器人控制器的性能。(3)提出并设计基于具有控制力矩陀螺球形机器人的整体控制系统。包括机器人的底层运动控制子系统,机器人的运动执行机构子系统,能源系统,软件系统及远程控制系统等。分析各个子系统的组成,功能以及相互联系。(4)研制具有控制力矩陀螺球形机器人的物理样机并进行实验研究,测试机器人的运动性能以及控制器实验。