球形机器人凭借其特殊结构与运动方式带来的可靠性、灵活性以及低能耗特点,与传统移动机器人相比具有更大的发展潜力。随着当前机器人领域的快速发展,不断复杂化的任务环境需要球形机器人在面对不同任务需求（如长续航能力、高运动灵活性等）时具备多样化适应能力,然而相关能力的欠缺成为球形机器人发展的主要制约因素。摆式偏心力矩驱动机制是研究广泛的球形机器人驱动机制,重摆周向运动使球形机器人质心周向改变是其驱动原理。以增大重摆在球形机器人内部的活动范围为思路,使其同时具备周向运动与径向运动能力,不仅能够使重摆实现上下半球间的转换,进而实现传统重摆驱动与新型倒立摆驱动的转换,丰富球形机器人的驱动模式,同时2种不同驱动模式下重摆的径向移动能够使球形机器人的运动呈现不同特点,为球形机器人面对多样化任务需求的适应能力提升提供基础。本论文以具有质心径向可变能力的球形机器人为研究对象,针对具有质心径向可变能力的球形机器人的机构设计、动力学模型构建、运动特性分析以及运动控制策略4个方面展开深入研究,使球形机器人充分发挥其结构优势,极大地提升其面对多样化任务需求的适应能力。本论文的主要工作如下:（1）具有质心径向可变能力的球形机器人的机构设计。将重摆质心径向变化机构与基于摆式偏心力矩驱动机制的球形机器人机构相融合,提出具有质心径向可变能力的球形机器人整体机构方案。以面向非结构化环境的任务需求为导向,通过球壳低速冲击实验以及受冲击后的准静态平板压缩实验,模拟实际任务环境中从不同高度坠落后球形机器人的球壳损伤情况,基于Hashin准则对球壳在冲击作用下的应力分布、结构变形模式和能量耗散机制方面开展研究,为高强度球壳结构设计提供参考。根据上述研究结果研制BYQ-GS型具有质心径向可变能力的球形机器人样机,使其不仅具备传统重摆驱动模式,同时还具备新型倒立摆驱动模式,并且在2种不同驱动模式下均能实现质心径向变化功能。（2）面向非结构化任务环境的空间多体动力学模型构建。根据2种不同驱动模式下的全方位运动简化模型,将质心径向变化因素融入动力学模型的构建过程中,运用第一类拉格朗日方程构建2种不同驱动模式下的面向结构化任务环境的空间多体动力学模型。通过对运动过程中球形机器人受到的影响因素进行分类并对可控影响因素建模,并将其融入面向结构化任务环境的空间多体动力学模型中,实现2种不同驱动模式下的面向非结构化任务环境的空间多体动力学模型构建。实验证明了相比未考虑任务环境扰动的动力学模型,当运动速度增大至3ms时,面向非结构化任务环境的空间多体动力学模型能够使2种驱动模式下的运动稳定性指标最小提升43.64%,有效提升了具有质心径向可变能力的球形机器人的运动稳定性。（3）具有质心径向可变能力的球形机器人运动特性研究。根据任务执行过程中对质心径向变化的需求方式以及非结构化环境下的任务特点,开展球形机器人在不同驱动模式、不同质心变化方式、不同运动速度以及不同坡度情况下的运动实验分析,根据实验结果,基于控制系统的收敛速度、超调量、稳定性与响应速度4项控制性能指标、爬坡能力与转向能力2项运动能力指标以及能耗指标,分析总结倒立摆驱动模式以及质心径向变化功能对球形机器人控制性能、运动能力以及能耗水平产生的影响规律,并构建球形机器人运动特性需求与质心径向位置的关联模型,为面向不同任务需求时具有质心径向可变能力的球形机器人驱动模式与质心位置的选择提供依据。（4）具有质心径向可变能力的球形机器人的面向实际任务环境的运动控制策略研究。基于具有质心径向可变能力的球形机器人面向非结构化任务环境的空间多体动力学模型,将积分滑模思想和分数阶微积分思想融入分层滑模控制方法中,并对任务环境与质心径向变化动作产生的未知扰动进行自适应评估与补偿,构建分数阶分层积分滑模控制方法。实验证明了相比自适应分层滑模控制,当运动速度增大至3ms时,分数阶自适应分层积分滑模控制方法能够使2种不同驱动模式下的控制系统收敛速度、超调量与稳定性3项控制指标平均提升22.64%,实现了具有质心径向可变能力的球形机器人控制性能的有效提升。