月球是距离地球最近的行星,月球探测对于人类具有重大意义。移动探测机器人是探月活动中一种不可替代的重要工具。球型机器人是一种结构全封闭,控制系统、电机和电源模块都包含在作为运动机构的球形外壳内部的移动机器人,具有结构简单、不存在倾倒问题、零转弯半径、运行效率高等优点,将其应用于月球探测有独特的优势。但是传统球型机器人越野能力较差,难以适应月球环境。本文面向月球应用针对球型机器人平面滚动、爬坡、跳跃等运动中面临的问题展开研究。月球上广泛分布着月壤,球型机器人在月球上滚动不可避免的会与月壤发生相互作用,本文建立了球型机器人与月壤相互作用力学模型,研究了球型机器人在月壤环境下运动的可实现性及影响运动的参数,得到了球型机器人静止和运动时的沉陷量,以及球型机器人在滚动过程中的受力情况,并用仿真软件验证了所得到力学模型的正确性。之后对球型机器人在类似月壤的沙土环境下水平、坡面运动控制进行了研究,并用实验验证了方法的可靠性。月球上分布着很多陡坡,球型机器人爬坡能力较差,难以在此类地形应用。针对球型机器人爬坡能力不足的问题,本文提出了一种具有连杆爬坡机构的新型球型机器人设计方案。该球型机器人除了传统的重摆滚动行走方式之外,还可以利用连杆机构爬陡坡。本文建立了机器人利用连杆机构爬坡的力学模型,并用仿真软件分别进行了新日球型机器人的爬坡运动仿真,验证了力学模型的正确性。在此基础上,对影响新机构爬坡能力的参数进行分析与优化,以此为理论依据设计制造出具有连杆爬坡机构的BYQ-X球型机器人样机。并对此样机进行了爬坡运动实验,进一步验证了力学模型的正确性和连杆爬坡机构对于增强球型机器人爬坡能力的有效性。BYQ-X机器人利用连杆爬坡机构提高了球型机器人的爬坡能力,但是当利用连杆机构爬坡的时候机器人无法转弯,这严重限制了此类机器人的实用化。本文在BYQ-X机器人基础上研制了BYQ-XI机器人。BYQ-XI机器人的连杆爬坡机构经过改进可以进行转弯。本文通过对BYQ-XI机器人的力学模型研究发现该机器人不但能够实现灵活的原地转弯,而且具有更强的爬坡能力,还使得机器人对于机构尺寸的要求更低,使该类型机器人可实现小型化。本文对BYQ-XI机器人的爬坡运动进行了软件仿真和样机试验,结果表明BYQ-XI机器人具有灵活转弯能力和更强的爬坡能力。月球上广泛分布着一般移动机器人难以克服的多岩石地带,而月球的重力仅相当于地球的六分之一,因此在月球上跳跃运动是一种很好的越障方式。本文设计了一种可自动储能、锁定与释放,且能重复动作的跳跃机构,并以该跳跃机构为基础设计了一种可跳跃球型机器人。该机器人可以利用与球型机器人相同的重摆原理滚动,也可以通过跳跃运动进行越障,从而增强自身对复杂地形的适应能力。本文建立了机器人跳跃过程的力学模型,利用仿真软件进行动力学与运动过程仿真,证明了机构设计的有效性和力学模型的正确性。最后制造了跳跃球型机器人验证样机并进行实验,实验结果进一步证明了机构设计的有效性和力学模型的正确性,并证明了跳跃球形机器人设计方案的合理性。球型跳跃机器人的运动方式包括跳跃运动和滚动。跳跃运动的轨迹取决于起跳前机器人水平速度和重摆摆角的角度。为了实现对跳跃轨迹的有效控制,采用模糊滑模控制方法对机器人重摆摆角与移动速度进行控制。针对提出的控制策略分别进行了稳定性分析、仿真和实验验证。实际应用中球型跳跃机器人还会遇到未知角度的坡面地形,本文采用自适应神经网络滑模控制方法对球型跳跃机器人在未知坡面上的滚动进行控制。针对提出的控制策略分别进行了稳定性分析、仿真和实验验证。动控制。