● 摘要
随着人类对太空探索和利用的增加，各种航天器、空间站不断增多，出现了各种各样的在轨服务，如涉及延长航天器寿命、提升执行任务能力以及清除轨道垃圾等，显示出了巨大的社会经济效益和良好的应用前景。一方面，随着空间机器人、遥操作等技术的不断成熟，在轨服务正逐渐向无人自主的方向发展，针对通用航天器的非合作目标在轨服务已成为国内外空间科学与技术领域的研究热点之一。另一方面，机械臂作为在轨服务的重要组成部分，扮演着越来越重要的角色，尤其是随着在轨服务任务的多样化、复杂化、精细化，操控对象非合作化，单臂机械臂已不能满足要求，设计和制造多功能应用的多臂多自由度空间机械臂已成为未来的发展趋势。多臂多自由度空间机械臂作为在轨服务技术的核心内容之一，具有重要的科学研究意义和广阔的工程应用前景。
面向空间在轨服务对机械臂的实际应用需求，论文研究多臂多自由度空间机械臂的动力学建模方法以及协同控制策略。其次进行计算机仿真实验，并对上述模型和控制策略的有效性进行验证。最后搭建地面模拟空间机械臂抓取目标物的实验平台，进行模拟抓取实验。具体研究内容如下：
首先，采用直接路径法分析多臂多自由度机械臂系统的运动学关系，在此基础上，求得系统动能，并针对复杂动能表达式中的三种典型形式，分别使用拉格朗日方法进行预计算，推导系统质量矩阵、非线性速度项以及广义力的显式表达式，由此建立表述简洁、规范，便于计算机编程的系统显式动力学模型，并且使用matlab符号工具箱编写动力学模型的符号推导软件，为多臂多自由度空间机械臂的设计和控制奠定模型基础。
其次，针对机械臂关节间非线性耦合、模型不确定性及存在外部干扰等问题，设计基于UDE（uncertainty and disturbance estimation）估计器结合滑模反馈控制的复合分层控制策略。其中，采用UDE估计器来解除关节间的非线性耦合，以及抵消和补偿各种参数化不确定性及干扰的影响；进一步考虑UDE估计器的估计误差影响，设计具有强鲁棒性的滑模反馈控制器进行不确定性干扰和误差的抑制，基于复合分层控制策略为满足多臂多自由度空间机械臂协同操作目标物的实际需求提供一种有效途径。
在上述研究基础上，基于空间机械臂的运动学等效原理搭建地面模拟空间机械臂捕捉目标的实验平台，研究静止场景和低动态场景下捕获目标的视觉检测技术，实现目标物的识别和位姿测量。进一步控制机械臂完成末端操作器自主更换、目标物自适应抓取等实验，验证相关系统和方法的有效性。