空间机械臂在太空中协助或者代替宇航员完成一些复杂、精细或重复的操作,在空间站建设与维护中发挥着不可替代的作用。在空间机械臂系统设计中,能耗与控制精度是较关键的性能指标,然而由于缺乏长时有效的微重力环境模拟手段,在轨服役的空间机械臂系统性能难以保证。为了解决这一问题,本文提出改变关节轴线取向进行空间机械臂地面模拟试验的方法,分析了不同重力环境下的驱动力及模型差异,并分别针对刚、柔性机械臂设计适用于不同重力环境下的轨迹跟踪控制器,解决了空间机械臂地面装调与空间应用的矛盾与关节柔性带来的高频谐振问题。首先,针对四自由度仿人机械臂,考虑关节摩擦进行不同重力环境下的驱动力仿真,通过改变摩擦、关节角速度、负载等分析不同重力环境下的驱动力差异及关键影响因素。并通过改变关节轴线取向进行空间机械臂地面模拟试验,实验结果与仿真对比验证了该方法的可行性,并基于试验数据进行摩擦特性曲线拟合得到实际摩擦模型。研究结果表明,针对小惯量机械臂系统,摩擦是影响其空间驱动力的关键因素。由于重力释放及其带来的摩擦系数的改变,空间微重力环境下的驱动力变化规律与幅值与地面相差很大。其次,针对漂浮基刚性空间机械臂,设计自适应反演滑模控制器实现不同重力环境下的轨迹跟踪控制。将重力与系统建模误差视为总和扰动,采用自适应律对其进行在线估计,并采用滑模控制器的切换控制项对系统不确定性进行补偿,从而保证系统的鲁棒性。采用李雅普诺夫理论证明了闭环系统的稳定性。采用所设计控制器进行仿真并与PD控制器对比,仿真结果验证了控制器的有效性与优越性。最后,针对柔性关节空间机械臂,设计奇异摄动自抗扰控制器实现不同重力环境下的轨迹跟踪与抖振抑制。基于奇异摄动理论,针对慢变子系统设计了加入前馈补偿的线性自抗扰控制器,采用状态观测器对重力、建模误差、系统扰动等进行估计并在控制律中予以补偿,并加入前馈补偿以减小观测器带宽。采用李雅普诺夫理论证明了系统的稳定性。采用不同的线性反馈控制律进行仿真并与奇异摄动PD控制对比,结果验证了控制器的有效性与鲁棒性。