随着空间探索的不断深入，空间机器人系统在航天器设备的在轨装配、维修以及维护等方面扮演着越来越重要的角色。与单臂相比，双臂空间机器人具有更高的灵活性、可靠性及容错性，将成为未来在轨服务的主力。然而，在动力学建模、路径规划以及控制等方面，双臂空间机器人更加复杂，特别是形成闭链的情况。本文针对空间目标在轨捕获及操作任务，开展了双臂空间机器人动力学、双臂协调轨迹规划及柔顺控制等的研究。双臂同时抓持并操作目标时将形成闭链系统，动力学特性极其复杂。为对轨迹规划、控制及仿真提供依据，建立了双臂空间机器人闭链动力学模型，并提出了基于限制型约束的数值求解方法。通过牛顿欧拉法建立了开链双臂动力学方程，应用切断铰约束建立运动学约束方程，合并后组建闭链动力学方程，该方法适用于双臂协调操作的动力学建模。所建立的模型作为后续开展动力学特性分析、轨迹规划与控制等研究的基础。由于机械臂与基座之间存在动力学耦合，机械臂的运动会产生对基座的扰动使其姿态及质心位置发生变化，该变化又进一步改变了机械臂末端的位姿。这一特性的存在影响了空间机械臂执行在轨任务的效率。将机械臂与基座之间的动力学耦合分解为质心及姿态两部分，提出了位置级与速度级相结合的耦合特性分析方法。基座质心的线速度满足线动量守恒这一完整约束，通过建立基座质心虚拟机械臂的位置级运动学方程，反映了质心位置与各关节的关系；而基座角速度与关节角速度满足的角动量守恒方程为非完整约束，因此，采用速度级运动学描述基座姿态与机械臂关节角的关系。论文还定义了用于描述耦合程度的耦合因子，并绘制了基座姿态耦合图。混合的动力学耦合建模与分析方法解决了传统方法中奇异构型繁多，计算效率不高的问题。目标捕获与操作是实现在轨服务的关键，利用双臂执行此任务可增加任务的有效性和可靠性。提出了目标捕获前及捕获后的双臂协调轨迹规划算法。捕获前，双臂根据手眼视觉提供的目标测量数据，实时规划机械臂关节角的运动，直到双臂同时抓住目标；当捕获后，需要将目标停靠到适合于维修的位置，此过程主要通过闭链运动学方程的求解实现双臂的协调。典型操作过程的仿真结果验证了方法的有效性。双臂共同操作负载形成闭链系统后，除了需要解决位置约束的问题外，还需要考虑内力的分配问题。基于双臂协调轨迹规划的结果，提出了双臂协调的力柔顺控制方法，使得机械臂操作目标的过程中，不但使其按给定位置运动，整个闭链系统的内力也得到了合理分配，保证了任务的安全可靠。通过典型任务的仿真，验证了控制方法的有效性。