随着空间技术的飞速发展，特别是空间站、航天飞机、空间机器人的诞生以及成功应用，人类对太空探索的活动越来越频繁。空间机器人作为一种在轨服务的有效工具，对太空技术的发展有不可磨灭的意义。而目标捕获是空间机器人完成空间任务的关键环节，逐渐成为空间机器人领域的研究热点。空间机器人目标捕获的地面验证也就成为整个空间机器人系统研究任务中的重要内容。首先，本文探讨了空间机器人多刚体系统运动学和动力学建模的研究现状，简述了各种方法的优缺点，并针对本文所研究的自由漂浮空间机器人，建立了拓扑构型、坐标系统和矢量关系。之后，对空间机器人系统进行了运动学建模。最后，基于速度变分原理，并结合其运动学方程，给出了空间机器人多刚体系统虚功率形式的动力学普遍方程。然后，回顾了空间机器人目标捕获地面验证系统的传统方案，详述了他们的优缺点。结合本课题所研究的空间机器人系统，本文采用了一种基于运动学等效和动力学模拟的半物理仿真方案。利用两台工业机器人分别模拟空间机器人末端手抓和自由漂浮目标，结合动力学模拟算法、运动学等效算法和三维显示模块等数学模型和空间机器人手眼相机、空间目标等物理模型，搭建了一套空间机器人三维空间目标捕获的地面物理验证系统。之后，对本实验系统的实现原理和数学模型进行了仿真验证。首先，利用Matlab机器人工具箱对工业机器人的运动学算法进行了仿真验证，利用Matlab中的Simmechanics模块对工业机器人的工作空间进行了求解和分析。然后，在Simmechanics环境下，建立了两种空间机器人动力学仿真模式，分别对空间机器人的动力学模拟算法和关节电模拟器算法进行了验证。最后，建立了实验系统的ADAMS模型，并联合Matlab控制模块对实验系统进行了动力学仿真，验证了实验系统实现原理的正确性和数学模型的仿真度。最后，利用本文所建实验系统，对空间机器人三维目标捕获任务进行了专项地面验证实验，包括对空间三维移动目标和空间自旋目标的捕获等。系统验证了空间机器人对三维目标的捕获能力、捕获周期和抓捕极限，同时验证了空间机器人轨迹规划算法和视觉测量算法等控制算法对空间三维目标的有效性。最后，对实验存在的误差进行了分析，论证了本实验系统和实验结果的可靠性。