随着航天事业的发展和对太空探索的不断深入,空间机械臂开始越来越多的协助或代替宇航员完成精细的在轨操作,如空间站的建造与维护、卫星的捕捉与维修、科学实验载荷的照料以及星球表面探测等。而空间机械臂关节作为空间机械臂的核心组件,其传感器系统、控制系统的设计,动力学模型以及相应控制策略的建立,都面临着很大的挑战,已成为空间技术领域的重要研究方向。本论文以国家重点基础研究发展计划课题“航天工程中机构可靠性及其动力学和系统控制基础研究”以及中国人民解放军某部“XXX空间机械手”项目为依托,重点对谐波齿轮传动的空间机械臂关节的传感器与控制系统、非线性动力学特性和建模理论及控制策略等多项关键技术进行了深入的分析和研究,主要研究内容如下:首先,为了解决谐波齿轮传动关节的简化动力学模型难以满足新的航天任务对精度的要求的问题,对谐波齿轮中固有非线性特性对关节动力学特性的影响开展了研究与分析,提出并建立了一种综合考虑非线性刚度、迟滞、传动误差、非线性摩擦的改进动力学模型及其辨识方法,并进一步设计、搭建了关节实验平台。同时为了解决剪切轮辐式结构易受轴向力干扰的问题,设计了一种弯曲轮辐式结构的关节力矩传感器,并在此基础之上给出了传感器弹性体的结构优化设计方案。然后针对空间环境提出了一种电阻应变片在宽温环境下的温度补偿方法,并进一步给出了力矩传感器的数据预处理方案。最后通过静态标定给出了关节力矩传感器的线性度、迟滞、分辨力、重复性等性能指标。最后基于所设计的关节实验平台,开展了关节参数辨识实验,从关节动力学建模的角度为关节高精度控制策略的研究提供基础。其次,基于所建立的改进关节模型,对关节存在的复杂动力学特性所引起的输出端位置精度和运动平稳性问题进行了研究,并提出了一种级联型复合控制策略,由误差补偿的位置环,以及具有自适应陷波器的速度环控制器构成。实验结果表明,该控制器能够提高关节输出端的位置控制精度,并能够通过在线检测得到的系统谐振频率抑制关节的振动。再次,分析了空间机械臂关节所具有的各项约束条件。针对多约束条件下关节控制器的设计方法问题进行了研究,并提出了一种基于迟滞混杂动态模型的关节预测控制策略。首先基于混杂系统理论,提出了一种针对强、弱非线性特性的通用关节混杂模型建模方法,并建立了含有迟滞、传动误差、摩擦特性的空间机械臂关节的混杂预测模型。其次针对滚动优化策略在线和离线计算复杂度大的问题,通过结合多参数规划理论和动态规划方法,将N步mp-QP问题转化为多个单步mp-QP问题,以降低求解复杂度。实验结果表明,该控制器能够在满足关节各状态约束的同时,保证一定的关节位置控制精度和运动平稳性。最后,研制了空间机械臂地面试验样机,并搭建了气浮式微重力实验平台。通过对影响空间机械臂末端位置精度的主要因素的分析,建立了末端位置误差模型,并进一步对比了空间机械臂在进行空间运动(六自由度)与平面运动(四自由度)的条件下其末端位置误差的变化。最终在气浮式微重力实验平台上进行空间机械臂的定位和轨迹跟踪的实验研究,验证了所提出控制方法的有效性。