随着人类太空探索活动增加以及深空探测脚步加快,为满足航天器大型化需求,保证航天器安全、长久地运行,迫切需要对航天器进行在轨服务。采用捕获机构实现在轨捕获是实现在轨服务的基础,已经成为航天领域的热点研究课题。目前,专用对接机构对接捕获和空间机械臂捕获方案已经在航天领域被成功应用。但是,专用对接机构捕获对机构匹配性要求高,空间机械臂电机数目多、能耗大和电机控制系统复杂。这两种捕获方式主要用于具体抓捕任务和抓捕环境,且主要用于空间受控目标捕获。以SARAH机械手为代表的双层桁架式欠驱动机构在国际空间站上的成功应用,使得应用欠驱动机构实现在轨捕获成为空间机器人领域的重要研究方向。本文根据现有欠驱动机构特点,提出一种新型索杆桁架式欠驱动机械手。该机械手由绳轮传动系统和平行四边形桁架单元构成,可扩展为大尺度空间机械手。利用虚功原理,将绳轮传动系统等效为耦合的关节驱动力矩,并建立绳索驱动力与广义关节坐标、指节广义接触力之间的关系方程。根据全指节包络抓取圆形半径比长度和比质量评价指标,分析手指指节数、指节长宽比和指节表面摩擦系数等参数对抓取空间的影响。从准静力学平衡角度出发,建立欠驱动手指准静态模型,对比分析关节弹簧和关节摩擦阻尼对手指准静态运动过程的影响。单一主驱动绳索作用时,对比分析忽略关节阻尼和配置关节弹簧的情况下,手指的广义指节接触力分布情况。根据广义接触力分布特点,将索杆桁架式欠驱动机械手抓取收拢过程细化为4个阶段。以抓取预变形阶段为研究对象,进一步分析手指的4种抓取运动策略及绳索驱动力分布,从理论上解释欠驱动手指运动奇异的原因。在抓取收紧阶段,索杆桁架式机械手具有欠驱动机构普遍存在的抓取自适应特点。本文以抓取收紧阶段为研究对象,开展索杆桁架式欠驱动机械手力自适应抓取研究。以2-DOF手指为研究对象,建立手指末端指节定点接触模型,分析手指的广义运动空间以及手指各指节平衡状态与广义运动空间的关系,从原理上阐述索杆桁架式机械手力自适应抓取。本文将末端指节定点接触模型推广到多指节手指,以3-DOF欠驱动手指为例,根据中间指节是否与物体接触,分别建立相应的自适应抓取模型,并建立手指关节坐标与末端指节广义接触坐标的关系。讨论手指全部的8种力自适应抓取运动过程,分析研究4种自适应抓取结果。索杆桁架式欠驱动机械手绳索分布式作用在各指节单元上,各指节单元的形变直接影响绳索的等效作用力分布,因此,该索杆桁架式欠驱动系统具有强非线性和运动耦合特点。基于能量等效思想和绳轮传动系统等效方法,对平行四边形指节单元简化处理,基于拉格朗日方程法建立3-DOF串联机械臂一般动力学方程,并将绳轮分布驱动式欠驱动系统等效转化为“A-P”型欠驱动系统。基于动力学模型和准静态平衡位置分布,研究3种抓取预变形阶段运动控制策略。建立抓取收紧阶段手指降阶动力学模型,以末端指节恒定接触力为约束,分析研究抓取收紧阶段运动控制策略。设计并研制2指3指节对称布置式索杆桁架式欠驱动机械手样机,搭建并调试配套传感器系统、电机驱动系统和硬件控制系统,开展单指节正弦轨迹跟踪实验和机械手包络抓取功能验证实验。设计并进行手指力自适应抓取实验,5组有效的自适应抓取实验完整验证3-DOF手指力自适应抓取理论分析的正确性。3组抓取预变形阶段运动控制实验和1组抓取收紧阶段运动控制实验,逐一验证欠驱动手指抓取运动控制策略的有效性。样机实验表明本文所开展的创新设计及分析方法合理、有效,为耦合驱动式欠驱动机械手研究提供新的理论依据和技术成果。