空间机械臂在在轨维修、在轨装配、辅助加注、辅助对接等在轨操作任务中占据着重要地位。现阶段越来越复杂的在轨操作任务对空间机械臂提出了更高的技术要求。控制技术作为空间机械臂的核心技术更是直接决定着在轨操作任务的成败。而现有对空间机械臂位置和姿态分别控制、逐关节迭代计算的控制方法不能满足高精度、高效率的控制需求。本文对空间机械臂控制技术进行深入研究，重点解决空间机械臂控制中机械臂位姿一体化建模问题、基于位姿一体化模型的路径规划问题、对规划路径的跟踪控制问题，具体工作如下：
　　针对多自由度冗余空间机械臂位姿一体化建模问题，建立基于对偶四元数的机械臂位姿一体化动力学模型。首先基于对偶四元数定义变量统一描述空间机械臂状态。然后分析机械臂位置和姿态之间、机械各关节之间、机械臂和航天器基座之间的耦合作用，在此基础上建立基于对偶四元数的机械臂位姿一体化模型。
　　针对多自由度空间机械臂在有障碍物的复杂空间环境中的障碍规避问题，提出基于快速扩展随机树和包含关节约束的前向后向迭代逆运动学算法的障碍规避路径规划算法。首先设计机械臂末端执行器障碍规避路径算法，解决快速扩展随机树搜索效率低的问题。然后，设计包含关节约束的前向后向迭代逆运动学算法，解决由末端执行器到机械臂各关节状态求解运算量大、计算效率低的问题。
　　针对空间机械臂运动造成航天器基座位姿改变，进而影响机械臂操作精度的问题，提出基于干扰补偿策略和凸优化理论的空间机械臂路径规划算法，实现航天器基座位姿保持。首先定义任务机械臂和平衡机械臂，分别实现在轨操作任务和补偿力矩输出。然后设计航天器位姿一体化控制器，解决航天器基座位姿变化与任务机械臂运动之间的时延问题。最后建立凸优化问题并求解，解决平衡机械臂干扰补偿路径计算效率低、运算量大的问题。
　　针对多自由度空间机械臂末端执行器跟踪控制问题，设计基于Guess-Newton迭代算法和自适应控制理论的最优关节状态跟踪控制算法。首先设计基于Guess-Newton迭代的最优关节状态规划算法，解决末端执行器位姿到机械臂各关节状态规划效率低、存在奇异等问题。然后设计基于自适应更新律和模糊理论的自适应跟踪控制算法，解决机械臂动力学参数不确定、稳定阶段存在振荡的问题。
　　针对多自由度空间机械臂在有干扰的复杂环境中的跟踪控制问题，设计基于滑模干扰观测器和终端滑模控制律的有限时间跟踪控制算法。首先设计不假设干扰上界的滑模干扰观测器，使算法适用范围更广。然后设计基于滑模干扰观测器的终端滑模控制算法，解决空间机械臂收敛速度慢、跟踪精度低的问题。
　　最后，针对空间机械臂在轨任务需求，结合本文建立的机械臂位姿一体化模型和设计的规划、控制算法，建立空间机械臂在轨操作任务示例证所设计算法的正确性。示例中设计仿真总体结构和数据流程，通过仿真示例进一步验证本文所设计算法的正确性和有效性。