太空探索对国家安全防护与国民经济发展具有不可估量的现实意义。空间机械臂因具有跨度大、操作灵活、负载能力强等优点而被广泛应用于太空探索过程中,并占据了不可取代的重要地位。恶劣的太空工作环境与繁重的在轨操作任务,使得空间机械臂在长期服役过程中极有可能发生单关节故障;在操作任务完成质量要求不变的前提下,单关节故障机械臂继续执行在轨操作任务将极大程度增加健康关节发生故障的可能性,即空间机械臂可能发生多关节多类型(锁定和自由摆动)故障。多关节多类型故障发生后,若不对空间机械臂进行合理有效的容错控制,其关节空间和操作空间的运动性能将极大程度退化,严重制约后续在轨操作任务的顺利执行,进而影响太空探索计划如期实施。因此,开展多关节多类型故障的空间机械臂容错控制策略研究具有至关重要的理论价值和现实意义。本论文的研究内容来源于国家自然科学基金项目“关节失效后太空机械臂运动性能评估与容错路径规划研究”(项目编号:61403038),本论文的研究对象为空间机械臂,针对关节故障空间机械臂综合运动性能指标构造、面向运动性能优化的空间机械臂多关节多类型故障应对策略构建、瞄准运行时间最优的多关节故障锁定空间机械臂容错路径规划等关键问题开展研究。主要研究内容如下。针对现有运动性能指标的表征含义单一问题,开展空间机械臂综合运动性能指标构造研究。分析空间机械臂各运动性能指标的数学表达及表征意义,确定受关节角度变化影响的运动性能指标;以综合表征机械臂关节空间和操作空间运动性能为目的,选定多个受故障关节锁定角度影响的指标,并对指标中的局部运动性能指标进行全局化处理与全局波动影响分析,以实现用于构造综合运动性能指标的子指标确定;基于熵值法分析各子指标对综合运动性能的不同影响程度,求解各子指标的权重,进而完成空间机械臂综合运动性能指标构造,实现对空间机械臂关节空间和操作空间运动性能的综合评估。瞄准多关节多类型故障发生后空间机械臂可继续执行在轨操作任务这一目标,开展空间机械臂多关节多类型故障应对策略研究。针对关节发生锁定故障的空间机械臂,利用牛顿-拉夫逊法求解常态下各关节的人为限位,并使各关节仅在人为限位内转动,以实现运动性能严重退化预防策略的构建;针对关节发生自由摆动故障的空间机械臂,评估其运动性能以求得故障关节的最优锁定角度,将故障关节调控至最优锁定角度并锁定,实现关节自由摆动故障处理策略的构建;考虑关节故障的随机特性和在轨操作任务对空间机械臂自由度数的要求,融合上述预防策略与处理策略,构建空间机械臂多关节多类型故障应对策略,实现多关节多类型故障应对后空间机械臂的运动性能仍能满足在轨操作任务要求。为了提升空间机械臂实际运行效率,开展多关节故障锁定空间机械臂容错路径规划研究。在重构故障关节锁定空间机械臂运动学模型的基础上,利用随机路径图(Probabilistic Roadmaps,PRM)算法随机采集路径节点并将其连通,删除对应机械臂运动性能不满足任务需求的所有路径节点及路段,实现空间机械臂满足任务要求的路线图构建;以机械臂实际运行时间最短为目标优化路径拐点个数,完成PRM算法路径查询阶段使用的方法(A*算法)的改进,实现多关节故障锁定空间机械臂沿规划所得容错路径运动时实际运行时间最短。针对多关节多类型故障的空间机械臂容错控制策略开展实验研究。改造空间机械臂气浮式微重力地面实验平台,设计空间机械臂多关节多类型故障应对策略的实验方案和多关节故障锁定空间机械臂容错路径规划的实验方案,对比分析实物实验结果与理论研究结果,验证本文所提多关节多类型故障空间机械臂容错控制策略的正确性和有效性。