随着宇航技术的发展,太空活动亦日益频繁。空间机器人技术的飞速发展使复杂空间任务成为可能。空间机器人能协助宇航员进行航天器在轨维护任务,提升任务的效率和作业范围,降低了宇航员所面临的系列风险。太空中处于自由漂浮状态的空间机器人系统,一般需对载体姿态进行控制以满足与基站的实时通讯测控需求。在此背景下,本文研究了空间机械臂捕获航天器操作,其主要分为两个步骤:控制机械臂运动使末端执行器处于捕获位置和机械臂关节锁定后由末端执行器执行捕获操作。根据上述分析,基于载体姿态受控,不控制其位置的前提假设,分别以刚性及柔性关节空间机器人作为研究对象,讨论了模型受外部扰动及关节摩擦力矩影响下的鲁棒控制方法;设计了基于钢丝绳捕获方案的末端执行器样机,讨论了捕获过程中的软接触问题,并设计了二次型最优控制器。本文以平面两杆空间机器人作为研究对象,利用动量守恒结合第二类Lagrange方程分别推导了全刚性和关节柔性的空间机器人系统动力学方程;针对柔性关节的空间机器人系统,基于奇异摄动思想将系统分解为快、慢变子系统。利用扰动观测器观测外部扰动和系统参数不确定构成的总扰动项,并基于估计的总扰动设计扰动补偿项,设计了基于扰动观测器的鲁棒控制方案;考虑关节摩擦特性,设计了基于摩擦上界的鲁棒控制器,从而抵消关节摩擦力矩的影响,改善关节轨迹跟踪控制中的平顶现象。对于柔性关节空间机器人系统,利用力矩微分思想设计快变子系统控制器,主动抑制柔性振动。利用鲁棒方法设计慢变子系统控制器,并引入有界摩擦补偿项抵消关节摩擦力矩的影响;针对存在系统参数值不确定的情况,利用CMAC神经网络逼近由系统参数不确定产生的结构不确定扰动项,提出了基于有界摩擦补偿的柔性关节空间机器人自适应CMAC神经网络鲁棒控制方案。本文还讨论了机械臂末端执行器捕获过程的软接触问题,引入由主动减震器构成的缓冲模块,设计了末端执行器数字样机。建立缓冲模组的动力学模型,并设计了二次型最优控制器。本文研究的末端效应器方案兼顾了钢丝绳捕获方案大捕获容差的优点,具有软捕获功能,软接触功能从结构上得到了根本改善。通过数值仿真实验证实了所提出的机械臂控制方案的有效性,末端效应器的主动减震器方案的有效性通过Simulink和Recurdyn联合仿真得到验证。