随着太空探索的逐步深入,空间机构相关研究受到越来越多的关注,空间机械臂作为一类重要的空间机构,承担着大部分空间作业任务,人们对其精度要求也越来越高。空间机械臂的安装调试需要在地面环境下进行,而实际应用在空间微重力环境。其结构上的铰间间隙耦合这种环境改变,会引起空间机械臂的动力学特性发生变化,影响空间机械臂末端轨迹跟踪精度,造成振动甚至失控。因此需要针对这一问题,设计适应不同重力环境的控制器。本文以二自由度含铰间间隙空间机械臂作为研究对象,结合试验分析进行建模,并设计控制器使机械臂完成末端轨迹跟踪。主要内容如下:首先,分析了间隙运动副动力学特性,在此基础上建立了间隙机械臂数学模型与ADAMS模型。研制了含间隙机械臂作为试验对象,搭建了地面模拟试验平台及配套的测控软件系统,提出了基于柔性悬臂梁应变片和激光位移传感器试验测量策略,通过不同重力取向方式模拟不同重力环境对间隙机械臂进行试验研究。基于试验数据与仿真数据的对比,验证了间隙模型有效性,并进一步建立了二自由度含铰间间隙空间机械臂模型。其次,考虑到环境改变与铰间间隙的耦合作用对空间机械臂控制性能的影响,为使控制器可在不改变参数的情况下适应不同的重力环境,提出了一种结合分数阶算子快速性、记忆性与终端滑模有限时间收敛性质的分数阶终端滑模控制器,并对其稳定性和有限时间收敛性进行了证明,通过仿真实验验证了该控制器对不同重力环境下含间隙机械臂末端轨迹跟踪的有效性及抗扰性。最后,针对空间机械臂模型存在的误差,考虑采用无模型控制算法对含间隙机械臂进行控制。提出不依赖对象模型的带状态扩展观测器分数阶PID控制器与分数阶PD滑模控制器,证明了分数阶PD滑模控制器稳定性,并使用杂草粒子群优化算法对其参数进行优化。