空间合作目标的捕获与对接技术是航天领域特别是空间在轨服务任务中一项关键技术，服役航天器的维修、补给，失效航天器的回收及离轨报废都与此紧密相关。因此本文的研究目的是面向航天器的在轨维护需求，研制一套捕获对接装置原理样机，并对其研制与工作过程中的关键技术展开研究。首先，本文分析了国内外捕获对接装置的发展现状，对现有的各机构设计方案进行了对比，针对现在及未来的空间在轨服务任务，对空间合作目标捕获对接机构进行了需求分析，提出了系统的功能要求与性能指标。随后，在系统的总体设计方案与性能指标建立完毕后，对系统进行了功能分解，分别对系统的捕获机构、定位元件、导引传动部件与电气流体传输接头等子系统模块进行了设计，其中捕获机构是基于空间连杆——柔性索原理，对接接口是以锥套——导引销作为定位元件，该设计方案可以实现大容差、较柔顺、高刚度、高可靠与六自由度精确定位的捕获对接动作，并建立服务航天器与目标航天器间的电气连接与流体传输通道。之后，通过对该装置的设计变量进行几何分析、动力学分析与静力学分析，建立了系统性能指标与相关参数的映射关系，并将其简化为较为简洁的数学模型，在此基础上以系统的容差能力作为优化目标函数，并通过线性加权与内点罚函数的优化方法，对系统进行了优化设计，得到了更加优良的性能参数。最后，搭建了捕获对接装置的原理样机与地面模拟实验平台，在该平台上对样机进行了功能验证试验、捕获容差试验、捕获与释放作用力试验等内容，证明本文所设计的捕获对接装置结构合理，功能完善，传感器与电气、控制系统工作可靠，实现了预期设计功能。