随着航天事业和科技的不断发展,我国的载人航天也即将进空间站时代。2022年我国也将迎来首个自主建成的空间站,在空间站建设过程中,单纯地利用舱体自身的动力与控制系统完成非同一轴向轨道复杂结构的组装任务,不利于长期在轨运行的稳定性与安全性,需要依靠空间机械臂完成空间站系统复杂结构的自组装任务。空间站主要舱体的质量、惯量等参数较大,在空间机械臂辅助完成自组装过程中各舱体以及机械臂彼此间的运动耦合特性突出,且大惯量舱体间的接触碰撞也会产生较大的碰撞冲击力,若不能有效地控制系统运动的稳定性并减小舱体碰撞对系统造成的不利影响,将直接影响到空间站自组装任务的顺利进行,甚至可能会直接破坏空间站结构。因此,开展机面向大负载自组装任务的空间机械臂稳定控制方法研究有着重要的理论意义及实际应用价值。本论文的研究内容来源于国家自然科学基金项目“面向大负载在轨自组装任务的太空机械臂系统稳定控制方法研究”(课题编号:61573066),以空间机械臂为研究对象,针对自组装任务中闭链式结构的动力学建模、碰撞构型优化策略、阻抗控制策略、基座稳定性控制策略等关键技术开展研究。主要研究工作如下:首先,面向大负载自组装任务的空间机械臂动力学特性分析。基于牛顿欧拉法和拉格朗日动力学方程建立了一般空间机械臂动力学方程;针对自组装过程中的碰撞问题,以锥杆式的对接模型为对象,基于动量定理和赫兹阻尼模型分析了离散和连续碰撞力;在此基础上完成了对自组装系统闭链式结构的动力学建模,分析了接触碰撞对空间机械臂系统的冲击效应。其次,为降低舱体间的接触碰撞对空间机械臂系统的负面影响,开展面向自组装任务的空间大负载机械臂碰前构型优化方法研究。基于空间机械臂末端的等效特性和多点碰撞动力学方程,分析了空间机械臂所受碰撞力与构型变化的映射函数,通过空间机械臂的冗余特性完成了机械臂所受碰撞力的优化;基于接触碰撞对空间机械臂系统冲击效应,利用粒子群算法,通过调整构实现了对空间机械臂受到冲击力矩和冲击扰动的抑制。然后,针对自组装接触过程的力接触问题,开展自组装任务中空间机械臂柔顺控制方法研究。基于自组装任务中闭链式结构的动力学模型,设计了阻抗控制策略,实现了自组装过程中的接触力跟踪。针对机械臂与基座的运动耦合问题,引入姿态无扰的零空间方法,解耦机械臂的运动与基座的运动,减少了因动力学耦合效应对基座的扰动。在此基础上,设计了姿态无扰的阻抗控制策略,保证了空间机械臂末端力跟踪效果的同时减少了机械臂运动对基座的扰动,提高了自组装任务的稳定性和安全性。最后,开展面向大负载自组装任务的空间机械臂稳定控制方法实验研究。基于气浮四自由度平面机械臂系统,通过对舱体和对接装置的设计,完成了地面验证平台的改造。设计实验方案,通过传感器采集实验数据,对本文所提出面向大负载自组装任务的空间机械臂稳定控制方法相关理论的有效性做验证和分析。