随着航天事业的飞速发展,空间机械臂越来越多的应用于辅助或代替宇航员完成空间任务,这在经济性和安全性方面都具有重要的意义。空间机械臂是典型的刚-柔混合系统,由于机械臂的刚柔耦合特性,以及柔性关节引起的结构非线性特性,使得空间机械臂在轨操作面临诸多难题。本文在详细调研国内外相关领域研究的基础上,针对考虑关节非线性的柔性机械臂抓取动力学等问题进行了详细的研究,主要包括以下内容:首先,以三连杆柔性机械臂为对象,考虑了杆的横向弯曲变形、纵向拉伸变形及由于横向变形引起的轴向收缩的二阶耦合量等因素,同时引入转子扭簧模型考虑了关节非线性因素的影响,应用第二类Lagrange方程和假设模态法建立了考虑杆件柔性和关节柔性的机械臂动力学模型。其次,基于建立的考虑杆件柔性和关节柔性的机械臂动力学模型,对机械臂的抓取动力学进行分析。通过引入动态抓取域的概念,来描述机械臂的整个抓取过程;基于Hertz理论来描述抓取过程中的接触碰撞特性,并针对机械臂抓取捕获目标过程,分析了关节非线性对机械臂抓取过程动力学特性的影响。再次,抓取过程中采用关节主动阻尼控制来抑制碰撞激振力,并在此基础上分析了匀速抓取和加速抓取策略下机械臂柔性关节的变形特性。最后,针对完成抓取捕获目标任务后机械臂的残余振动问题,基于冗余自由度机械臂动力学与控制特性,应用最优控制对考虑关节非线性的柔性机械臂抓取后轨迹进行跟踪及机械臂抓取后定点振动抑制进行了研究。