人类日益频繁而复杂的空间探索活动,使得空间飞行器在轨服务技术成为近年来研究热点。空间机器人系统在空间飞行器在轨维护领域具有无可比拟的优越性,特别是采用自由漂浮空间机器人系统执行在轨维护任务,具有寿命长和安全性好等优势。而自由漂浮空间机器人能否顺利执行在轨维护任务,其运动规划与控制方法研究是重要的基础和需要迫切解决的关键理论与技术问题,因此开展相关方面研究具有重要的理论与实际意义。为实现自由漂浮空间机器人在轨维护任务中涉及的目标安全交会接近、目标捕获的轨迹规划、稳定的轨迹跟踪控制等任务,本文考虑自由漂浮空间机器人系统所具有的有别于固定基座机器人一些特殊性质,在分析自由漂浮空间机器人系统运动学、动力学基础之上,重点研究接近一类非合作空间目标的安全交会路径规划问题,回避动力学奇异的轨迹规划问题,约束基座姿态变化的轨迹规划问题,自适应轨迹跟踪控制与自适应鲁棒轨迹跟踪控制等问题。具体研究内容主要包括以下几个方面:本文首先在轨道坐标系下,建立自由漂浮空间机器人(追踪卫星)运动方程;在惯性坐标系内推导非完整约束条件下自由漂浮空间机器人的运动学方程,分析由非完整约束导致的系统广义雅可比矩阵动力学参数相关特性,给出自由漂浮空间机器人可达工作空间,并基于广义雅可比矩阵求解系统的奇异空间;利用Lagrange方程建立基于扩展机械臂的自由漂浮空间机器人关节空间动力学模型,并对系统内动态问题进行分析,为后续章节的展开提供研究基础。针对外层太空环境的自由漂浮空间机器人(追踪卫星)交会路径规划问题,本文提出轨道坐标系内安全接近一类非合作空间目标的交会路径规划方法。首先研究自由漂浮空间机器人整体交会路径规划策略和最终接近阶段交会路径规划的安全性原则;然后采用由安全原则生成的自由漂浮空间机器人移动椭圆轨迹,最终接近一类自旋的非合作空间目标。该方法实现空间机器人系统能够以自由漂浮工作模式接近该类非合作空间目标,并且有利于安全逃逸。由于自由漂浮空间机器人系统角动量守恒方程不可积,导致系统广义雅可比矩阵奇异与动力学惯性参数有关,形成动力学奇异性问题,增加了轨迹规划难度。本文针对非完整约束导致的系统广义雅可比矩阵动力学奇异性问题,采用基于运动方程分解的方案,通过构造迭代函数得到一种间接求解逆运动学方法,避免直接求解逆广义雅可比矩阵,将动力学奇异转换为运动学奇异问题,实现自由漂浮空间机器人回避动力学奇异的非完整轨迹规划。自由漂浮空间机器人系统基座处于自由漂浮状态,因而机械臂运动对基座姿态会产生扰动,即由于机械臂与基座之间动力学耦合作用导致系统存在姿态干扰特性,但是基座姿态的稳定对于确保卫星与地球通讯以及太阳能电池正常工作非常重要。本文针对自由漂浮空间机器人系统存在的姿态干扰特性,采用冗余机械臂实现约束基座姿态变化的同时保证末端执行器完成轨迹规划任务,重点对基座姿态零扰动的自由漂浮空间机器人相关运动学基本理论和轨迹规划进行研究。为实现自由漂浮空间机器人在整个运动过程中的基座姿态零扰动,引入了具有非完整特性的基座姿态零扰动约束方程,提出一种基座姿态零扰动的非完整轨迹规划方法。该方法可以仅通过规划机械臂运动,即保证机械臂末端达到目标点又同时确保基座姿态零扰动。自由漂浮空间机器人系统中存在一些难以精确确定的系统参数,要满足高精度地跟踪设计轨迹,控制器必须具有自适应能力,能够自动修正控制器中的某些参数以适应变化的控制对象。为解决笛卡尔空间的参考轨迹无法在关节空间中实现的困难以及避免系统动力学方程不能线性参数化的问题,本文采用扩展机械臂法并在笛卡尔空间内研究自由漂浮空间机器人自适应轨迹跟踪问题。在推导系统笛卡尔空间内动力学方程基础上,针对系统惯性参数不确定问题研究了笛卡尔空间复合自适应轨迹跟踪控制问题,设计相应的控制器,分析其稳定性,仿真结果表明这种自适应控制策略都能够保证对末端执行器期望轨迹的稳定渐近跟踪。针对自由漂浮空间机器人系统同时还存在外部干扰等非参数不确定性问题,本文研究自由漂浮空间机器人自适应鲁棒轨迹跟踪控制问题。建立了同时考虑机械臂和基座外部干扰的笛卡尔空间自由漂浮空间机器人动力学模型;分析假设外部干扰界形式已知情况下的复合自适应控制器鲁棒性,并对经自适应律修正后的控制器进行鲁棒性分析;研究了外部干扰界形式未知情况下的自适应律修正问题;最后结合滑模控制方法,设计自由漂浮空间机器人自适应滑模控制器,并对其进行鲁棒性分析。