空间对接机构是在轨航天器对接的关键装备,其对接机构构型的合理性是对接领域的核心部分,也是实现太空对接任务顺利完成的重要保证。为了提高对接机构的可靠性,确保方案设计的合理性,对接机构往往需要结合对应的地面六自由度仿真试验台来模拟太空环境进行样机实测分析,确保其具有良好的性能。本文针对空间对接机构交会对接的实际需求,通过分析交会和对接过程的运动特性,进行三爪式空间对接机构及六自由度仿真试验台的构型设计,以数值模拟和实验研究的手段对其设计的合理性及应用的安全有效性展开相关研究。具体研究内容包括:通过对空间对接机构位姿的运动学特性进行分析,建立主被动对接机构的位姿数学模型,包括各部分相应坐标、各姿态参数和参数间的相互转换关系;通过对空间对接机构的动力学特性进行分析,建立对接机构对接过程的动力学模型,进行主被动钩爪的运动学以及钩爪碰撞力与缓冲动力学的研究,对后续三爪式空间对接机构与六自由度仿真试验台的构型设计具有一定的理论指导意义。设计了三爪式空间对接机构,该对接机构具有捕获范围大、重量轻、对接可靠性高、检测及控制方便等优点,满足对接机构的设计要求。以三爪式对接机构为研究对象,建立对接机构对接过程中的动力学模型,分析钩爪碰撞与缓冲过程的动力学特性;并对机构在对接过程中的关键部件一钩爪进行静力学有限元仿真与振动模态分析,通过对其结构尺寸进行参数优化设计,解决对接过程关键部件的结构力学强度以及激振共振问题。建立三自由度运动模拟器对接过程动力学模型,分析其球关节摩擦力矩、对接机构接触力矩和主被动平台动力学特性,以及试验台对接位姿误差分析,并进行控制策略研究以期提高运动精度。在此基础上,开展立式对接试验台和复合式对接试验台的整体构型设计,对接试验台由吊装式四自由度运动模拟器和两自由度运动滑台构成,具有实现偏航、滚转、俯仰以及水平和垂直方向运动的六个自由度模拟功能,可实现航天器空间对接过程的试验模拟。依据试验台的动、静态稳定性准则,提出一种采用Sm稳定裕度与Sne能量裕度法的联合判定方法,实现复合式对接试验台处于静态和动态两种形式下的稳定状态判定,满足稳定性要求。基于理论研究与优化结果,研制三爪式对接机构和立式六自由度仿真试验台的物理样机,并对其运动性能、功能指标以及力学性能进行整机联合特性测试实验、对接机构与试验台的联合仿真实验,实验结果与理论分析结果一致,验证两物理样机设计的合理性。