球面Mecanum小车是实现全自动安装、拆卸核电站蒸汽发生器中堵板的整个环节中的重要的一环,工作时完成从过人孔分批携带已经拆卸好的堵板,进入到半球形的蒸汽发生器内室,然后按照规划好的路线运动到规定的蒸汽发生器中目标孔的上方区域,为后续机械手完成对堵板和目标孔间的定位、安装(拆卸)做准备。在研究调查中发现,传统堵板运输的方法主要是靠多个有经验的工作人员协同搬运,且工人的停留时间只有90秒钟,对工作人员的熟练程度要求很高,同时对工作人员的身体有辐射影响,不适合长期工作,也不符合“中国制造2025”理念。围绕用于蒸汽发生器中堵板运输对球面Mecanum小车设计与控制所提出的应用需求和特点,本文在基于平面Mecanum设计理论基础上,详细研究了基于球面Mecanum轮的理论设计,推导出了球面Mecanum辊子的轮廓曲线设计,完成了对Mecanum轮辊子及相关支撑板、电机连接件等部件的详细设计;设计出了永磁吸附装置,实现了小车所需的40°的爬坡工作需求;并对Mecanum小车在球面的运动学、动力学进行了研究分析;采用了基于偏差耦合的同步控制算法结合电机内部的速度PID控制,减小了因电机间速度波动的不同步而导致的滑动现象。本文的研究工作主要包括以下几个方面:(1)球面Mecanum理论研究与结构设计,主要包括:对球面Mecanum的理论进行了系统的研究、球面Mecanum辊子的轮廓曲线设计、Mecanum支撑板,电机连接件等部分设计,验证了球面Mecanum理论的正确性并对主要受力部位进行了相关有限元仿真分析;基于系统由40°的爬坡需求,对球面Mecanum轮小车永磁吸附装置单元进行了详细设计与仿真,并最终确定了所需吸附力大小的永磁吸附装置尺寸。(2)球面Mecanum小车运动学及力学研究。基于球面运动的特殊工作条件,将球面上的Mecanum小车运动学分析转化到相应的斜面上,并推导出球面Mecanum轮小车在球面中的逆运动学方程;同时对球面Mecanum轮小车在球面的静力学进行了分析,消除了因摩擦力不足而可能存在的打滑问题,最后利用不完整系统的劳斯方程推导出了球面Mecanum小车在球面中的动力学方程。(3)改进型偏差耦合同步控制策略及算法设计,基于对球面Mecanum逆运动学方程的分析,改进了偏差耦合同步控制策略,并引入了对单个直流无刷电机转速的PID控制算法、实现了小车的跟随精度和同步精度需求,并完成了相关控制硬件电路设计及相关控制算法软件编写,最后结合ADAMS与MATLAB协同仿真验证了球面Mecanum小车在球面运动全方位能力及堵板搬运目标的实现。