伴随人类科学技术的不断进步和人类探索太空活动的不断深入,空间机器人正在逐渐取代人类航天员成为执行航天器在轨服务任务的主体。相对于遥控和半遥控空间机器人,具有自主在轨服务能力的空间机器人因其能够避免操作延时大、环境适应能力差等缺点,从而成为各个航天大国研究开发的重点。由于空间机器人系统本身具有很强的非线性和耦合性,其动力学问题的复杂程度和操作控制的难度要远远大于地面具有固定支座的工业机器人,这对空间机器人自主完成在轨服务提出了巨大挑战。本学位论文在国家自然科学基金(11132001,11272202)、上海市教委科研重点项目(14ZZ021)和上海市自然科学基金(14ZR1421000)的资助下,开展了空间机器人动力学与控制问题的研究,主要研究内容和成果总结如下:(1)分别对刚性空间机器人与柔性空间机器人的动力学建模问题进行了研究。基于单向递推组集多体动力学方法分别给出了刚性空间机器人和柔性空间机器人的运动学方程、动力学方程的推导过程,并且通过与ADAMS软件的仿真计算结果对比验证了本文所建模型的正确性。(2)分别对刚性空间机器人和柔性空间机器人捕获空间自由漂浮目标的动力学与控制问题进行了研究。首先基于计算机图形学和Hertz碰撞理论分别建立了刚性空间机器人和柔性空间机器人机械臂末端执行器与被捕获目标之间的接触检测与接触力模型,然后分别基于计算力矩方法和PD控制方法设计了刚性空间机器人和柔性空间机器人的控制器。在此基础上,对空间机器人捕获空间自由漂浮目标进行了数值仿真研究。在刚性空间机器人的研究中,分别研究了末端执行器与被捕获目标之间对心碰撞和偏心碰撞对捕获操作和系统特性的影响。在柔性空间机器人的研究中,不但研究了对心碰撞和偏心碰撞对捕获操作和系统特性的影响,而且研究了末端执行器与被捕获目标相向运动和同向运动的影响。数值仿真结果显示,捕获操作会对系统产生十分不利的影响;捕获过程中末端执行器与自由漂浮物体之间存在着连续多次碰撞;相对于对心碰撞,偏心碰撞因具有更大且更复杂的动量矩输入,从而会对系统产生更大的冲击;相对于同向碰撞,相向碰撞由于会引起系统转动惯量的减少从而会引起系统更大的响应;另外仿真结果证明了本文所设计的计算力矩控制器和PD控制器的有效性。(3)分别对考虑关节摩擦的刚性空间机器人和柔性空间机器人动力学建模与控制问题进行了研究。对于考虑关节摩擦的刚性空间机器人,给出了一种基于单向递推组集方法、第一类Lagrangian方程和牛顿-欧拉法的系统动力学建模方法;对于考虑关节摩擦的柔性空间机器人,则给出了一种基于单向递推组集方法和牛顿-欧拉法的动力学建模方法。通过与ADAMS软件的仿真计算结果对比验证了以上两种建模方法的正确性。数值仿真中,详细研究了关节摩擦对系统特性的影响以及不同摩擦模型之间的区别。仿真结果显示,空间机器人关节摩擦现象会对系统特性造成影响;在一定条件下并非运动速度越低越容易产生“stick-slip”现象,反而是相对较快的速度会引起更为明显的“stick-slip”现象;相对于Coulomb模型和Stribeck模型,LuGre模型能够更好地描述低速摩擦特性;LuGre摩擦模型中的参数(?)0(鬃毛平均刚度)和(?)1(鬃毛平均阻尼刚度)对于描述关节摩擦力是极其重要的,关节摩擦对柔性空间机器人产生的不利影响会随着(?)0和(?)1的增大而增大。(4)对可变结构桁架机械臂的运动学和动力学建模以及控制问题进行了研究。首先对可变结构桁架机械臂结构进行了等效简化,并利用等价原理将原系统从闭环系统变成开环系统;然后利用系统的几何关系和单向递推组集方法推导了系统的运动学与动力学方程;进而基于计算力矩方法设计了机械臂的运动控制器。通过与ADAMS软件的仿真计算结果对比验证了本文所采用建模理论的正确性,并且通过数值仿真结果验证了所设计的控制器的有效性。