近年来随着空间探索事业的不断开拓和发展,空间机械臂因其优越的运动特性和负载能力在空间操作任务中得到广泛的应用。由于空间机械臂一般具有臂杆细长、结构刚度低等特点,导致其臂杆柔性特征明显,而其在执行目标捕获、转位对接等接触碰撞型任务时所产生的接触碰撞力不仅会引起基座姿态扰动,还可能加剧柔性臂杆的变形与振动,从而影响机械臂末端的操作精度和整个系统的稳定性,甚至可能使目标逃逸导致任务失败。此,迫切需要针对空间柔性机械臂执行目标捕获、对接任务中的关键理论技术开展研究,这对空间技术的发展具有重要的理论意义和应用价值。本文针对空间柔性机械臂目标捕获、对接任务中的柔性机械臂建模、多体系统碰撞动力学建模以及柔性机械臂的轨迹跟踪和振动抑制等关键理论技术开展研究,并通过数值仿真和实物实验对有关理论的有效性进行验证。主要研究工作如下:首先,在考虑臂杆多维柔性的条件下开展空间柔性机械臂运动学和动力学建模研究。基于悬臂梁模型和假设模态法,提出了一种同时考虑位于臂杆大范围刚性运动平面内和垂直于该运动平面的臂杆柔性变形的柔性臂杆建模方法以提升对臂杆变形描述的准确性;基于DH参数法和转换矩阵推导了考虑臂杆多维柔性的机械臂正向运动学方程和各杆件间速度、角速度递推关系,并基于矢量积法推导了柔性杆件模态坐标的雅克比矩阵;在求解了柔性臂杆动能和势能的基础上,基于拉格朗日方程推导建立了柔性机械臂的动力学方程,并在此基础上推导了关节处于自由、锁死和受控三种状态下的系统响应方程。其次,开展单柔性杆的碰撞动力建模研究,并分析其碰撞响应。基于牛顿第二定律和欧拉方程推导了单体的普适动力学方程,并在此基础上结合赫兹阻尼碰撞力模型建立了单体与单体间的碰撞动力学方程;进一步的基于拉格朗日方程和赫兹阻尼碰撞力模型推导建立了单柔性杆碰撞动力学方程;通过MATLAB数值仿真和ANSYS/ADAMS软件仿真对比验证了所建立模型的有效性和精确性。然后,对空间柔性机械臂执行碰撞捕获任务过程中的关键理论技术进行研究,包括多体碰撞动力学建模、碰撞捕获构型优化技术、轨迹跟踪和振动抑制。基于机械臂动力学方程和赫兹阻尼碰撞力模型建立了柔性多体系统碰撞动力学方程,并采用等效质量法对机械臂的碰撞捕获构型进行优化以减小碰撞响应;采用非线性解耦反馈控制方法对机械臂轨迹跟踪进行控制并利用线性二次型最优控制方法(LQR方法)对机械臂的残余振动进行主动的抑制控制。最后,针对空间机械臂的碰撞理论进行实物实验验证。通过对实验结果的整理和分析,得到了与预期目标较为相符的实验结果,验证了本文中空间机械臂多体系统碰撞动力学模型的正确性与有效性。