随着航天技术的不断发展,人类需要在空间完成更多复杂的任务,对于各国开展的各类航天任务如在轨操控、在轨攻防、外太空及行星资源探索等,空间机器人是其中最重要的手段之一。它是指在航天器本体上搭载机械臂来代替宇航员进行空间站维修、失效卫星回收、矿物采集等工作。本文针对面向在轨服务的微小卫星空间机械臂系统的运动学和动力学建模与控制进行了相关研究。首先采用马达代数这一新型数学工具对本文研究的单臂5自由度空间机器人系统进行运动学建模,结合虚拟机械臂法,推导机械臂末端效应器坐标系相对于惯性坐标系之间的位姿关系,建立运动学方程,从而简化了计算。提出在马达代数框架内采用交会法求解机械臂逆运动学问题的算法,并对该算法进行了数值验证。验证结果表明马达代数求解机械臂运动学问题有效且具有较高的精度。然后推导了平面双臂n自由度空间机器人的广义雅可比矩阵,并利用分解运动速度的控制方法对其进行运动仿真。然后推导了空间机器人的一般动力学方程和自由漂浮状态下的动力学方程。其次,针对单臂空间机器人进行了关节空间的轨迹规划,采用多项式方程法,将关节变量视为时间的函数,对该函数求导得到速度和加速度来求解关节的运动轨迹。然后针对平面双臂空间机器人推导了姿态受限广义雅可比矩阵,采用基于姿态受限广义雅可比矩阵的分解速度参数化的方法对平面双臂空间机器人进行轨迹规划,并利用该方法进行了运动控制仿真。在单臂空间机器人轨迹规划的基础上,设计单臂5自由度空间机器人的轨迹跟踪控制器。利用李导数将单臂空间机器人的非线性系统模型精确线性化,并采用最优控制器对机器人进行轨迹跟踪控制仿真。最后,对所建立的空间机器人动力学模型以及所设计的控制器进行进一步验证。本文基于ADAMS虚拟样机动力学仿真环境,结合Pro/E三维建模软件,建立单臂空间机器人系统虚拟样机,并借助ADAMS与MATLAB间的数据交互接口,建立ADAMS-MATLAB联合仿真平台,完成了空间机器人系统虚拟样机联合仿真实验。虚拟样机仿真实验的结果与自编程序数值仿真结果高度吻合,证明了本文所建立空间机器人系统动力学模型的正确性与所设计控制器的有效性。