空间机器人在轨抓捕相关技术是高级在轨服务的关键技术之一。由于空间机器人动力学结构呈现复杂的非线性及耦合特性,使得在轨抓捕操作面临动力学与控制等方面的诸多难题。此外,若抓捕对象为故障或失效航天器等非合作目标,其对空间机器人的运动规划与控制提出了更大的挑战,相关技术是目前航天工程领域研究的热点问题。论文针对空间机器人快速在轨逼近与抓捕一类非合作目标的难点问题,系统深入地研究了空间机器人逼近与抓捕过程动力学建模、运动规划、抓捕过程轨迹跟踪控制以及抓捕后协同控制等问题。全文的主要工作概括如下:1.建立了空间机器人快速逼近与抓捕过程的动力学模型,揭示了空间机器人动力学特性及受重力梯度扰动下的姿态动力学响应特性。(1)针对空间机器人飞越式逼近过程,建立了空间机器人与目标相对运动轨道动力学模型;针对空间机器人抓捕过程,建立了空间机器人抓捕操作动力学模型;将空间机器人与目标接触假设为瞬时过程,建立了空间机器人抓捕目标后耦合系统动力学模型。将以上模型映射到同一坐标空间,建立了空间机器人在轨逼近与抓捕全过程的系统动力学方程。(2)针对空间机器人飞越式逼近与抓捕过程中处于自由漂浮模式的特点,从系统约束特性和动力学奇异性方面解析分析了自由漂浮空间机器人动力学特性,揭示了其对空间机器人工作空间的影响;研究了空间机器人关节零反作用空间特性,提出了关节空间动力学解耦运动条件。通过仿真算例验证了理论与方法的有效性。(3)研究了作为主要环境扰动的重力梯度力矩对自由漂浮空间机器人的姿态扰动影响,建立了考虑姿态与轨道耦合作用的自由漂浮空间机器人受重力梯度扰动动力学方程;针对不同轨道参数和初始条件仿真分析了系统姿态动力学响应,包括空间机器人关节无控时姿态受扰动分析、关节锁定时俯仰姿态受扰动分析以及长时间工作时末端位姿影响分析。揭示了受重力梯度扰动自由漂浮空间机器人姿态动力学的非线性特征。2.提出了空间机器人快速逼近与抓捕过程的一体化运动规划方法。(1)针对一类非合作目标在轨抓捕问题,提出了空间机器人飞越式逼近中同步抓捕目标的快速抓捕策略;针对抓捕过程中空间机器人运动特点,分别定义了飞越式逼近的飞行阶段和机械臂抓捕实现流程;基于瞬时接触过程的基本假设,建立了空间机器人与目标接触过程的角动量传递模型,利用模型设计了抓捕过程对空间机器人的基座姿态扰动最小约束条件。(2)从物理约束、任务约束和安全约束方面提出了空间机器人逼近轨迹和抓捕轨迹设计指标,系统建立了空间机器人快速逼近与抓捕过程一体化运动规划模型。提出了基于混沌差分进化算法的规划模型求解思路和实现流程,针对典型算例开展了数值仿真,验证了规划模型和求解算法的有效性。3.提出了空间机器人在有限时间内快速抓捕和转移目标的轨迹跟踪控制方法。(1)针对空间机器人在逼近过程中抓捕目标问题,提出了有限时间变结构控制方法;在此基础上,针对空间机器人系统参数不确定性和非参数不确定性,建立了径向基函数(Radial Basis Function,RBF)网络补偿模型自适应补偿控制系统模型误差,提出了自适应RBF网络非奇异终端滑模控制方法;进一步考虑关节执行器输出饱和问题,基于双RBF网络补偿模型提出了约束自适应RBF网络非奇异终端滑模控制方法;利用仿真算例将上述控制方法与传统滑模控制进行了对比分析,验证了所提出的控制方法在收敛时间和收敛精度等方面的改进效果。(2)针对空间机器人捕获目标后的耦合系统转移目标操作,提出了机械臂末端工作空间动力学解耦条件,使耦合系统仅驱动机械臂即可实现对目标与基座姿态的独立控制;在此基础上针对转移操作时间有限和复杂环境扰动因素,提出了目标转移操作中对基座姿态无扰动的有限时间协同控制方法;利用仿真算例开展了对比分析,验证了控制算法的有效性。4.设计了空间机器人抓捕目标的地面验证实验方案,开展了动力学特性及控制算法的地面验证实验。利用基于气浮式微重力平台的地面验证实验系统,设计了空间机器人抓捕目标的地面验证实验方案;对空间机器人在自由漂浮模式下的动力学耦合特性分析结果和该模式下基座无扰动控制算法开展了地面验证实验,实验结果验证了论文理论模型与仿真计算的正确性。综上所述,论文研究了空间机器人飞越式逼近运动中同步抓捕目标过程的动力学、规划与控制问题,系统地提出了针对一类非合作目标的快速在轨抓捕策略、模型和方法。这些理论模型与控制算法对空间机器人在复杂空间环境中实施抓捕任务具有工程参考意义。