无人空中机器人(Unmanned Aerial Robotics)特别是旋翼无人机(Rotorcraft)由于其具有垂直起降、高机动性、小型化等特点，目前已广泛应用于航空摄影与遥感、战场监察与探测等方面。其一个最大的特点或限制是只能够搭载相关传感器对环境进行观测而不能主动对目标进行作业。而无人空中作业机器人(Unmanned Aerial Manipulator)是在无人空中机器人(主要指旋翼无人机)上增加了主动作业机构组成的一类复合机器人，其具有主动作业能力，能够完成一些空中或危险环境下的作业任务，具有广阔的应用前景。但是，目前关于无人空中作业机器人的相关技术理论还不完善甚至有些方面处于空白。本论文针对这一问题，深入研究了无人空中作业机器人的建模与自主控制等相关理论，并将其推广应用到电力维护作业行业。本论文的主要研究内容与创新点如下：
　　介绍了研究背景与意义，综述了目前无人空中作业机器人在作业机构、建模与控制、轨迹规划与自主控制、实际应用等方面的研究成果。
　　针对无人空中作业机器人系统这一复合系统，在统一坐标系下建立了系统的运动学模型，并研究分析了关节空间速度到末端速度的关系。然后，针对在非接触模态和接触模态下机器人的作业特点，提出并建立了解耦合模式和耦合模式下的动力学模型。
　　提出了非接触模态和接触模态下的动力学控制新方法。针对非接触模态下的动力学控制问题，通过将作业机构运动看成为对系统静态重心变化的影响，从而提出一种动态重心补偿反演控制方法，简化了控制器设计。针对接触模态，通过将系统看成一个整体统一建模，提出基于阻抗设计的柔顺控制算法，实现了与环境接触过程中的柔顺控制，保障了作业过程的安全性。
　　提出了基于分层优先级的多任务视觉伺服自主控制方法。通过分析eye-in-hand和eye-to-hand两种配置下视觉成像的不同特点，且基于球投影视觉特征分别得到了两种配置下的视觉伺服误差方程。在此基础上，提出了基于零空间投影的分层优先级多任务控制方法，实现了无人空中机器人的视觉自主控制。
　　基于所研究的无人空中作业机器人相关技术理论基础，设计并实现了一种用于输电线路飘挂物清除的无人空中作业机器人。其由小型Delta并联作业机构和旋翼无人机组成，同时提出了基于Delta并联机构逆运动学的姿态扰动补偿控制方法，实现了作业机构末端的精准控制。相关实验验证了机构和算法的有效性。