在轨卫星由于发生故障而失效或燃料耗尽而废弃后,将不能继续发挥作用,停留在太空将成为轨道垃圾,严重威胁着空间资产的安全。通过空间机器人对故障卫星进行维修,对轨道垃圾进行清理,对于提高空间探索的效益,保护轨道资源具有极其重要的意义。传统的空间机械臂内部电缆线繁多,各部件之间的接口关系复杂不易更换,导致空间机械臂的可靠性、安全性和可维护性极差。针对上述问题,本文开展了无线化可更换空间机械臂关节的研究,克服在传统关节繁杂冗余的电缆走线,并可在轨进行重构和维修。针对空间机械臂的在轨任务要求,详细分析了空间机械臂的各项技术指标,在此基础上设计了无线化可重构的空间机械臂关节。在机械设计上采用直流无刷电机作为驱动、采用谐波减速器作为传动,减小回差。关节传感器包括电机霍尔传感器、增量式磁编码器、绝对式磁编码器,力矩传感器,通过传感器之间的互相校正,提高位置的检测精度。为实现机械臂的可重构,设计了关节可重构接口,可重构接口的设计采用钢珠锁紧的纯机械方案,包括主动接口、被动接口、辅助工装三个部分。辅助工装安装在基座上,用于控制卡套的位置,从而控制主动接口与被动接口的安装与分离。在快速接头的中间安装航空插头,在完成机械连接的同时完成电连接。根据机械臂的精度指标、控制需求等,开发了关节伺服控制系统,使用MATLAB对无刷直流电机的矢量控制进行仿真。机械臂采取分布式控制,包括中央控制器和关节伺服控制器两个层次。关节伺服控制器用于关节伺服控制。研究了基于ARM3处理器的关节的伺服控制器及WIFI通信模块,接受来自空间机械臂中央控制器的指令,并向中央控制器发送经过处理后的传感器信息。根据空间机械臂、模块化关节和可重构接口的设计指标,开展了验证实验。对所设计的关节和伺服控制器进行加工、装配和调试,搭建实验平台。实验包括单关节的力矩、位置、速度和电流跟踪实验、输出力矩实验、刚度实验、双关节的功能演示和关节快换接口的功能演示等。实验结果表明所研制的无线化可重构关节具备大负载和高精度的特点,符合应用要求。