随着空间开发的深入,空间机器人的应用愈发广泛而重要。空间机器人在轨操作过程中,末端将不可避免受到碰撞冲击,操作目标的特性也一般不确定,且动力学结构也呈现出复杂的非线性及耦合特性,对航天器的安全稳定运行带来较大影响,也使得空间机器人的在轨操作面临诸多难题。本文主要针对空间柔性机器人在轨捕获及转移目标过程中的动力学与控制问题开展研究。空间柔性机器人是典型的空间多柔体系统,由于动力学的耦合特性及臂杆的柔性振动,使动力学分析与计算较为复杂。为了提高动力学计算效率,本文引入了空间算子代数理论用于描述空间多体系统动力学模型,并基于算子理论实现高效率的快速递推算法,用于动力学实时仿真及控制器设计;同时基于Lagrange分析方法实现了空间柔性机器人动力学计算软件,能够灵活统一的处理各种拓扑结构及约束形式;并均与商业软件对比,验证了算法实现的正确。空间机器人在轨操作的首要任务是捕获目标。在抓取目标过程中,末端执行器与目标被捕获装置之间将不可避免的发生复杂的接触碰撞,对机器人系统带来较大冲击。本文提出了“动态抓取域”用于描述抓取操作的碰撞过程,通过对抓取域的控制能够有效减小抓取过程的碰撞冲击;随后,提出了理想的抓取控制策略,通过调节参数可使随机性很强的抓取过程在某种程度上可控。当抓取目标的特性不确定时,应用动量守恒定理推导了抓取过程中目标质量及惯量的辨识模型,并基于最小二乘方法在试探性抓取过程中实时辨识目标,为抓取决策及抓取控制提供了有效的参考依据。由于空间机器人在轨抓取过程的复杂性,还可通过对机械臂控制进一步改善抓取性能。本文对机械臂应用滑模控制,通过调节滑模参数发现了抓取过程的软硬抓取性态:接触式硬抓取能够维持机械臂刚性,但对基体冲击较大,适用于抓取小质量特性目标;而试探性软抓取对目标及基体的冲击较小,但机械臂运动较大,适用于抓取大质量特性目标。而空间柔性机器人在抓取过程中受碰撞冲击的影响,将大大激发臂杆的柔性振动,甚至造成控制失稳,影响抓取安全。因此在抓取过程中需对柔性机械臂的振动进行控制,并尽量减小操作过程对基体姿态的冲击影响。本文将最优反馈振动控制引入姿态无扰零空间中,提出了姿态无扰振动抑制方法;仿真表明,该方法不仅能够使臂杆柔性振动得到有效抑制,而且对基体姿态也几乎无扰动。当空间机器人成功抓取目标时,系统动力学结构及运动状态将发生改变。本文利用动量守恒定理分析了抓取成功瞬间的系统结构与状态变化,并对整个抓取过程进行了稳定控制。而空间柔性机器人抓取目标后,不仅末端质量特性将发生改变,系统频率也将大幅下降,对空间机器人的控制带来较大影响。而冗余自由度机械臂能够在完成指定任务的同时,以其灵活的自运动特性达到振动抑制等优化指标。本文首先对冗余自由度机械臂的动力学与控制特性进行分析,利用空间算子描述了雅可比矩阵及其伪逆的快速递推算法。随后,对带负载的空间柔性冗余机器人在基体固连空间中进行轨迹跟踪控制,并分别采用冗余度优化自运动与零空间最优反馈控制进行振动抑制;而后扩展基体运动为增广状态变量,在惯性任务空间下进行轨迹跟踪控制及定点振动抑制。最后,对于负载不确定的柔性机械臂,采用自适应控制方法实时估计系统的惯性参数,有效的提高了控制精度,且通过设计滑模面进一步消除了由于柔性及不确定负载所带来的稳态误差及扰动影响。