随着人类对太空探索的不断深入，自由漂浮空间机器人将发挥着越来越重要的作用，成为国内外学者研究的热点问题。由于自由漂浮空间机器人的基座处于自由漂浮状态，整个系统受到非完整约束，使得自由漂浮空间机器人对目标航天器的捕获变得十分困难，为了更好地设计控制系统与研究自由漂浮空间机器人的动态特性，有必要对自由漂浮空间机器人进行多体动力学研究。由于航天系统的特殊性，需要高效率的多体动力学建模与计算方法。本文以此为背景，重点研究了自由漂浮空间机器人及其扩展系统的多体动力学以及自由漂浮空间机器人目标捕获的方法，并提出了一种地面试验系统方案。下面对这几个方面进行详细的介绍：研究了基于空间算子代数(Spatial Operator Algreba, SOA)理论的高效率多体动力学建模方法，利用基于旋量形式的牛顿-欧拉递推运动学方程，使用序贯滤波和光滑化最优估计理论方法，对多体系统的广义质量矩阵进行矩阵分解，并且显式地表达了广义质量矩阵的逆矩阵，建立了通用的基于空间算子代数理论的多刚体系统的动力学方程以及正向动力学和反向动力学的高效率求解方法。该方法具有数学表达形式直观、计算高效和物理意义明确等优点。基于空间算子代数理论，对自由漂浮空间机器人的扩展系统进行多体动力学研究，建立了树形多体系统、欠驱动系统以及闭环系统的动力学方程。高效率的动力学方法为空间复杂多体系统的实时动力学仿真以及控制系统的建模分析提供了理论依据。研究了基于滑模变结构控制的欠驱动机器人控制算法，类比于广义质量矩阵的分块将控制系统进行分层，在只有主动控制输入的情况下，使得主动关节和被动关节都收敛到期望的状态。研究了柔性系统多体动力学问题。利用有限元技术，结合基于空间算子代数的多刚体动力学方法，建立了柔性体的多体动力学方程，研究了柔性多体系统的正向动力学和方向动力学高效率求解方法。基于双目立体视觉伺服方法，提出了自由漂浮空间机器人目标捕获的方法，编制了仿真软件。利用双目立体视觉系统测量目标体的空间位置姿态，反馈给机器人控制系统，根据机械臂的运动，利用高效率的实时动力学方法实现基座在仿真软件中的运动。通过仿真可以发现基于双目立体视觉伺服的自由漂浮空间机器人可以跟踪并达到目标体的位置，表明所提出的目标捕获方法是可行的。对航天器活动的可靠性和可行性分析，不仅需要理论上的验证，还需要实际地在地面进行物理试验验证。利用空间算子代数动力学建模和计算方法在实时动力学计算效率方面的优势，提出了一种混合式的地面试验平台的设计方案：将工业机器人的末端执行器与空间机器人的基座连接；根据空间机器人机械臂的运动，利用高效率的实时动力学方法计算基座的运动；将基座运动传递给地面用于模拟基座运动的6自由度工业机器人，以达到自由漂浮空间机器人基座在太空中真实运动状态的效果。该地面物理试验平台搭建完成后，就可以对自由漂浮空间机器人目标捕获的方法进行进一步的试验验证。