随着航天技术的飞速发展,人类对太空研究、开发和应用的能力正不断提高,利用空间机器人进行在轨维修、组件升级、燃料加注、轨道垃圾清理等自主在轨服务已成为航天领域的热门研究方向之一,而空间机器人捕获目标的轨迹规划是实现上述在轨服务的关键技术。本文以自由漂浮空间机器人捕获目标的轨迹规划问题为研究背景,重点研究了空间机器人的运动学与动力学建模、接近目标的最优轨迹规划以及捕获目标可能引起的基座姿态扰动问题,以期推动我国空间机器人在轨服务技术的发展,具有重要的理论与实际意义。首先,介绍了研究的目的与意义、国内外一些典型的空间机器人系统以及空间机器人领域主流的运动学建模、动力学建模与非完整轨迹规划方法。根据机器人学的基础知识和空间机器人的特性,结合线动量与角动量守恒方程,推导了非完整约束下自由漂浮空间机器人系统的运动学方程,并在运动学方程的基础上,基于拉格朗日法推导了空间机器人系统的动力学方程,为后续章节的展开提供了研究基础。其次,对空间机器人在轨捕获目标可能引起的基座姿态扰动问题进行了分析,在此基础上提出了一种使得捕获对基座姿态产生最小扰动的优化算法,通过该算法能够确定空间机械臂的末端与目标接触的最优时刻,在该时刻实施捕获将对基座姿态产生最小的扰动,并将该时刻作为最优轨迹规划的终止时刻。然后,从捕获目标的轨迹规划任务需求出发,提出了一种基于变分法的自由漂浮空间机器人最优轨迹规划方法,该方法以能量最优为性能指标定义了空间机器人的积分型泛函,将性能指标的最优问题转化为变分法中积分型泛函的极值问题,并通过欧拉方程对积分型泛函进行处理,得到了能量最优轨迹规划所需要满足的必要条件。该必要条件是以微分-代数混合方程组的形式表出的,因此本文借鉴了微分-代数混合方程组的常用数值解法,取长补短,提出了一种基于迭代思想的数值算法,该算法综合了所有的微分方程与代数方程,能够直接通过数值计算的方式得出所需要的数值解,即为能量最优轨迹。此外,本文还详细讨论了最优轨迹规划问题涉及到的边界条件。最后,使用平面三连杆机器人系统作为仿真实例进行了两组仿真,第一组为机械臂末端沿指定轨迹运动的能量最优轨迹规划;第二组为面向目标捕获的能量最优轨迹规划,以期实现捕获目标时产生的碰撞对基座姿态扰动最小且接近目标的过程中能量最优。计算机仿真结果证实了本文提出的最优轨迹规划方法的有效性。