我国载人航天工程已由空间实验室阶段进入空间站阶段,对空间操控能力的需求呈现实用化、精细化和智能化。由空间机械臂协助或替代航天员开展空间作业、降低航天员舱外作业风险完成重复性工作的需求越来越迫切,各航天大国都加大力度支持空间机械臂在轨服务技术的研究,将其应用于空间飞行器的在轨组装及维护技术中。空间机械臂在轨工作期间误差源多、误差随机性强,针对精度要求高的操作任务,需要研究精细操作控制策略提高系统任务精度;针对接触操作任务,需要研究柔顺控制策略,既能完成操作任务,又保证机械臂和被操作对象的安全。本课题来源于载人航天工程空间实验室任务,主要研究空间机械臂在轨维修系统及其操作策略。主要研究内容聚焦在机械臂在轨维修系统搭建、关节摩擦在轨辨识、机械臂在轨维修的精细操作控制策略研究、机械臂在轨维修的柔顺控制策略研究并开展在轨实验验证。本文首先对空间机械臂在轨维修系统进行方案设计。研制基于模块化关节的机械臂,具有位置感知和力感知功能。为满足在轨维修多样化任务要求,选用HIT/DLR II Hand仿人型灵巧手作为机械臂末端执行器。选用手眼相机和全局相机作为机械臂系统的外部位置感知传感器。设计集机械、电气、热控典型维修动素为一体的模拟维修单机。在系统方案的基础上,建立了机械臂系统的运动学模型、动力学模型和地面验证系统。设计和开展机械臂关节摩擦辨识实验,确定关节摩擦的在轨特性,对比研究关节摩擦在轨和地面的差异、对比分析关节摩擦模型、分析关节摩擦对关节位置跟踪的影响,为操作控制策略研究奠定基础。面向在轨精细维修操作任务,为提高机械臂系统操作任务精度,提出两种操控策略。针对机械臂直接操作的任务,提出一种路径规划方法。该方法利用手眼相机标定被操作对象的位置和姿态偏差并进行修正,规避天地重力差异、在轨安装误差等影响,满足操作任务高精度要求。针对机械臂使用工具操作任务,提出一种视觉伺服操作策略。该策略由航天员标定机械臂维修操作的标称位姿,然后由机械臂实现重复操作。利用该策略采用航天员使用的电动工具就可以完成机械臂的操作任务,简化了操作工具的设计难度,规避操作过程电动工具相对机械手之间抓握随机误差的影响,有效提高操作任务精度。面向约束空间接触操作控制问题,通过旋拧螺钉任务分析确定了机械臂在自由空间与接触空间切换过程不能引入位姿误差、并且在旋拧螺钉过程的作用力不超过40N的控制目标,据此设计了基于摩擦补偿和关节力矩反馈的笛卡尔空间阻抗控制策略,以提高阻抗控制在自由运动空间的静态精度和接触空间下对外力的响应速率,证明了系统的稳定性,根据任务指标,采用仿真分析确定天地差异,通过地面试验数据预示在轨任务参数克服天地差异影响,最终实现在自由空间与接触空间切换过程不引入位姿误差、并且在旋拧螺钉过程的作用力不超过40N的控制目标。最后,通过旋拧电连接器在轨实验、旋拧螺钉在轨实验对所研究的操作控制算法及理论进行验证,证明了控制策略和控制参数的有效性和正确性。