21世纪是太空资源争夺战时代,面对与日俱增的太空活动,空间机械臂发挥着越来越重要的作用。空间目标捕获是太空操作的第一步,尤其是对于大惯量、重载荷目标的捕获,宇航员显得束手无策,而空间机械臂在此方面的优势凸显。本文针对冗余空间机械臂在轨捕获自旋卫星的策略展开研究,以实现机械臂以较高精度、较小扰动成功捕获动态卫星。为充分发挥空间机械臂的灵活性和可操作性,本文采用7自由度关节偏置冗余臂,提出一种基于解析法和数值法相结合的能够避障和优化奇异的高效精确冗余机械臂逆运动学算法。解决了空间机械臂采用的偏置关节（SSRMS）构型机械臂逆运动学问题。通过引入肘向量作为中间变量,推导肘向与关节角的解析关系式;建立基于肘向量的优化模型,借助粒子群算法求解其最优值。为了提高计算效率,研究建立基于方位角的等效优化模型。为了实现避障和奇异优化,改善机械臂的可操作度,将这些要求和功能转化为逆运动学优化模型的约束条件。通过运动学仿真验证算法的有效性,结果表明该算法具有良好的精度、平滑性和计算效率。为解决时延、测量噪声以及手眼相机成像原理缺陷导致的机械臂末端“拉锯”、沿环爬行、双臂缠绕干涉和两臂末端执行器不同步和目标运动测量不完整性的问题,本文提出基于最优捕获点的加速度同步自适应捕获轨迹规划方法。最优捕获点规划来避免两个末端执行器的碰撞和双臂缠绕干涉。为避免微分中超调的大噪声,提出一种目标星上最优捕获点加速度估计的方法,补偿拉锯引起的误差。设计双臂同步自适应捕获轨迹规划,以减少两个末端执行器到达捕获点的时间间隔,改善双臂末端执行器抵达最优捕获点的同步性。空间机械臂捕获过程中,机械臂的运动会对飞行器产生干扰。这种干扰会使得飞行器和机械臂均存在轨迹跟踪误差。针对空间机械臂与飞行器之间的动力学耦合、非线性带来的扰动问题,对传统的动力学方程进一步解耦。本文对机械臂关节柔性、跟踪误差进行分析,以修正同步自适应加速度规划方法,改善误差引起的不稳定性。为减小对基座扰动的影响,本文采用机械臂动能作为衡量指标,设计一种最小扰动控制器,来实现机械臂的捕获运动能量最小化。为了对提出的双冗余空间机械臂同步自适应捕获轨迹规划方法进行验证,本文搭建同步自适应捕获轨迹半物理等效实验平台。本实验用于验证所提规划方法对抑制机械臂末端执行器跟踪目标星时的“爬行”现象的有效性,对跟踪时由于时延、传感器噪声产生的拉锯的改善情况,对跟踪精度的优化效果以及运动同步性方面的改善程度。为了验证最小扰动自适应跟踪控制算法对降低机械臂捕获自旋目标星时对平台的扰动能量的能力,本文搭建空间机械臂最小扰动捕获微重力气浮实验平台。本实验模拟太空中无阻力机械臂捕获自由旋浮的目标星的环境,采用与在轨一致的软硬件,对双冗余空间机械臂最小扰动同步自适应捕获控制器进行实验验证。