随着人类对太空探索的不断深入,作为空间任务的重要工具,空间机器人扮演着着越来越不可或缺的角色。近年来,太空变得越来越拥挤,失效航天器、太空碎片不断增多。因此,对于非合作目标的捕获成为了空间机器人的重要任务之一。本文的研究内容为空间机器人在非合作目标捕获时的规划算法,包括非合作翻滚目标运动状态估计及预测、机械臂最优捕获路径规划及关节空间最小扰动运动规划的相关研究。本文研究了非合作翻滚目标的状态估计及预测,为路径规划提供规划终点信息。首先,本文分析了非合作翻滚目标在空间中的运动规律,分析了目标的章动运动及角速度变化规律。在已知非合作目标特征点带噪观测数据的情况下,设计了基于最小二乘法的非合作目标运动参数的估计算法,包括初始位置、线速度、抓取点在质心坐标系的位置与姿态等。之后,设计算法估计了系统的转动惯量比,来预测目标角速度变化规律。最后,应用误差状态卡尔曼滤波,对目标的姿态进行滤波处理,同时估计目标的角速度。其次,基于最优控制理论研究了机械臂路径规划问题。考虑到目标及抓捕点的动态因素,以捕获时机械臂末端与目标抓取点位置、速度一致为约束,考虑性能最优的机械臂末端路径。性能指标包括捕获视线角、机械臂末端运动距离、捕获时间、机械臂末端加速度等。计算出优化问题的哈密顿函数,利用数值方法求解,从而得出最优机械臂末端路径。之后,研究了机械臂最小扰动关节运动规划。推导了漂浮基座空间机械臂的运动学及动力学模型,为后续最小扰动关节空间运动研究提供基础。分别从速度层面与加速度层面提出了基于冗余自由度的逆运动学解决方案,在保证机械臂末端按照指定轨迹运动的同时,减少机器人对基座卫星的反作用力矩,从而减少机器人对基座的扰动。之后,应用虚拟臂法实现了机器人对基座的最小扰动,建立虚拟臂模型推导关节控制力矩。该方法无需计算雅可比矩阵的伪逆其导数,可以求解析解,提高了求解速度与精度。最后,基于Adams建立了七自由度机器人及漂浮基座系统模型,在仿真软件中搭建了仿真控制平台,开展了各部分算法有效性检验实验及综合仿真实验。仿真结果表明,本文算法正确有效,为空间机械臂捕获非合作目标的规划任务的提供了算法基础。