空间分布式捕获锁定是航天器实现有效载荷在轨操控的关键技术之一，在空间站载荷更换、货运飞船载荷运输和航天器在轨服务等任务中具有巨大的应用前景，是未来我国以及其他航天大国的研究重心之一。自上世纪六十年代以来，国外研究机构对空间载荷捕获锁定技术开展了大量研究并进行了在轨验证。近二十年来，国内研究机构取得了一些捕获锁定技术研究进展，但多着眼于整体式捕获锁定系统，适应性更强、应用更广泛的分布式捕获锁定技术研究尚处于起步阶段。目前，随着我国空间站建设等航天在轨操控任务的陆续开展，对于同时具有高刚度、高可靠、可扩展、模块化、可重复特点的分布式捕获锁定技术需求极其迫切，分布式捕获锁定系统的通用性设计、分析与验证方法已成为航天领域亟待攻克的研究难题之一。因此，本文针对分布式捕获锁定系统，开展了高刚度布局设计方法、模块化捕获锁定机构设计、动态容差能力分析方法、协同捕获策略以及地面试验模拟方法的研究。
　　针对分布式捕获锁定系统高刚度布局设计难题，借鉴植物根系力学稳定性原理，创建捕获锁定系统连接点位置优化导则。运用植物不定根与须根的生长规律启示，创立捕获锁定单元主连接点数目-位置优化模型和捕获锁定单元-载荷有效接触面形状优化模型。构建载荷有限元模型与三维弹簧支撑模型，为系统基频分析奠定基础。以系统基频最大化为目标，采用并行算法选择连接点的优化位置，并探讨二级连接点数目与系统基频的关系。将该方法的优化结果与常规方法进行比较，验证该方法提高捕获锁定系统基频的有效性。
　　在捕获锁定系统总体布局确定的基础上，开展捕获锁定机构模块化参数设计方法研究。分析捕获锁定系统工作流程和边界条件，进行捕获锁定机构布局设计，并提出一种基于误差域分析的捕获锁定机构参数化设计方法。分析机械臂存在误差情况下的载荷姿态，以载荷底部捕获框的误差域为依据，进行主动端捕获轨迹规划与构型设计，构建捕获锁定机构运动学模型，奠定机构参数优化的基础。基于连接点有效接触面形状与定位方案开展捕获框的构型设计。
　　面向捕获锁定系统容差能力准确评估的需求，在分析四个捕获锁定单元协同配合影响的基础上，提出一种分布式捕获锁定系统动态容差能力分析方法。建立机械臂-载荷组合体与捕获锁定系统之间的动力学模型，奠定边界位姿下载荷的捕获判定基础。开展载荷关键位姿研究，分析载荷误差位姿，建立临界捕获位姿模型。开展捕获过程中捕获锁定系统与载荷相互作用的动态容差过程分析，采用位姿迭代法对机械臂-载荷组合体在捕获过程中的位姿轨迹进行预测，判断边界位姿载荷捕获的成败。通过检验捕获锁定系统能否捕获边界位姿载荷，获得系统动态容差能力。
　　开展捕获锁定系统捕获速度模式与协同捕获策略研究。建立组合体碰撞动力学模型，以容差能力和捕获冲击为依据进行捕获模式选择。结合正交分布式捕获锁定系统的结构特点与动力学特性，对极限工况下对角线双捕获钩进行动作匹配，得到四个捕获钩的协同捕获策略。四个捕获钩利用机械臂末端六维力传感器的接触力反馈，感知接触位置，为选择协同捕获参数提供依据。利用容差能力分析方法和仿真软件对典型边界位姿载荷分别进行同步捕获和协同捕获仿真，验证协同捕获策略的有效性和可行性。
　　根据优化的捕获锁定系统布局与捕获锁定机构参数，研制正交分布式捕获锁定系统原理样机以及空间载荷地面捕获试验系统。进行捕获锁定系统动态特性分析，并通过系统振动试验进行验证。通过空间载荷地面捕获试验系统和捕获锁定系统开展同步捕获试验，验证容差能力分析方法的准确性。运用协同捕获策略开展协同捕获试验，验证捕获策略提升容差能力的有效性。