球形机器人有球形或近似球形的外壳,可以有效避免外部环境对机器人关键部件的伤害。同时,球形机器人要想应用到实际工程中,球壳必须要经受住恶劣工况的考验。由此,对球形机器人外壳的设计、制造及轻量化等方面的研究非常重要。本文以球形机器人轻量化球壳结构为研究对象,主要完成了以下工作：(1)根据北京邮电大学原有球形机器人尺寸结构以及设计要求提出不同类型球壳结构包括拼接式球壳、近球形球壳、带连接件式球壳、骨架式球壳,分析对比各种球壳结构的优缺点,识别仿真载荷并初选球壳材料。(2)设计骨架式、近球形两种球壳结构,并建立有限元计算模型计算两种结构的静载响应。分析球形机器人结构的十阶模态频率及振型。对不同压板方向、球壳厚度的有限元模型分析结果进行对比分析,找出最弱受压工况以及合适球壳厚度。运用双尺度仿真方法对球壳中螺栓孔处几何特征进行还原,由粗糙模型计算结果插入子模型边界条件对结构薄弱处进行精确分析。选择近球形球壳结构作为最终设计方案。(3)根据三维Hashin失效准则以及刚度退化规则通过ANSYS二次开发平台建立反映碳纤维增强环氧树脂基复合材料失效过程的材料损伤模型,并通过模拟文献中的复合材料层合板拉伸试验,对比实验值与计算值,验证材料模型的正确性,并对最薄弱工况下的球壳破坏载荷进行预测。(4)对球壳内部结构进行拓扑分析,提出优化后的内部框架结构方案,为内部结构轻量化提供理论基础。