为实现两栖环境和狭窄空间的生物搜救及跟踪调查等任务,需要机器人同时具备高灵活性、高隐蔽性、微型结构和多功能运动模式等特点。由单一智能驱动器驱动的仿生微型机器人以及电机驱动的中小型机器人很难同时满足以上要求。因此,本论文提出了由一个仿生小型两栖球形母机器人和若干微型子机器人组成的子母机器人系统,母机器人由电机驱动,具有高隐蔽性、水陆两栖运动模式等特点,子机器人由智能驱动器驱动。本文的研究重点是仿生小型两栖球形母机器人的结构设计、模型优化以及自主式运动控制。同时,为了扩展单个两栖球形母机器人的功能和作业范围,我们提出了仿生小型两栖球形多机器人系统,并进行了多机器人系统进行了特性评价。主要研究内容如下:1.基于仿生结构和运动机理,本文首先提出子母机器人系统,该系统由一个两栖球形母机器人和若干微型子机器人组成。其次基于两栖龟的运动方式及形状特征,设计并实现了具有高机动性等特点的仿生小型两栖球形母机器人、基于智能驱动器的微型子机器人。最后对母机器人原型机的两栖运动进行实验验证,通过实验结果分析对母机器人进行一系列的优化改进,包括机械结构的改进、加工工艺的改进、电控系统的改进以及模块的扩展等。2.基于有限元分析理论,对改进后两栖球形母机器人的关键零件结构,进行力学分析和强度校核,验证结构的合理性以及机器人能到达的最大安全水深。通过模态分析避免关键结构发生共振现象,此外通过疲劳分析获得结构的疲劳损伤等参数,对疲劳寿命薄弱的部位进行优化。验证优化后的结构符合设计要求,避免了机器人由于疲劳破损引起的故障,并为零件及时更换提供一定的参考。3.基于D-H参数,首先建立两栖球形机器人的陆地运动学方程、动力学方程和雅克比矩阵,利用Solid Works、ADAMS等软件进行仿真,验证了机器人陆地多步态运动的可行性。其次建立两栖球形机器人在水中的运动学坐标系统,验证了机器人水动力模型简化的正确性,并对机器人设计了闭环控制算法。最后搭建了改进后两栖球形母机器人的原型机样机,且基于步态设计和闭环控制算法进行了一系列的两栖运动实验,验证了机器人陆上多步态运动的灵活性和可行性,以及机器人在水中按预定轨迹运动的稳定性。4.基于生物集群协调运动行为优化策略,针对实际任务的特点和要求,首先提出并设计基于领队-僚机模式的两栖球形多机器人编队运动策略(纵行队列、直行队列、三角队列)。其次设计多机器人对目标物的围捕策略,利用TOF相机和MEMS惯性传感器实现多机器人之间的水中定位。最后对本文所设计的两栖球形多机器人进行多种水中编队和目标物围捕实验的特性评价,验证了两栖球形多机器人系统的可行性,为今后两栖球形多机器人在复杂两栖环境中的协同运动控制及通信提供了重要依据。