空间轨道存在的失效飞行器,已经严重威胁到了在轨装备的安全运行,利用空间机械臂完成轨道清障具有重要意义。但失效飞行器没有特定的抓捕接口和视觉测量靶标,绝大多数目标处于自旋复合章动的翻滚状态,捕获这类大惯量失稳目标对机械臂的控制性能是巨大的挑战。在这一背景下,以空间机械臂捕获大惯量非合作失稳目标为对象,本文对空间机械臂阻抗控制、动力学参数辨识方法、状态观测技术、抗扰动设计和基于视觉反馈的运动规划方法开展了相关研究。空间机械臂的刚度,阻尼特性的调整是捕获大惯量失效翻滚目标的关键。捕获过程可分为三个阶段:预抓捕阶段、捕获阶段和组合体稳定阶段。在不同阶段中,对空间机械臂的刚度,阻尼特性有不同的要求:预抓捕阶段,空间机械臂应表现为高刚度特性以保证高精度的伺服跟踪;捕获阶段和组合体稳定阶段,空间机械臂应降低刚度并注入关节阻尼,耗散刚性捕获产生的能量,缓冲动量在组合体间的再分配过程。阻抗控制是解决高刚度伺服与低刚度捕获这一矛盾的理想方案。空间机械臂采用轻质的谐波减速器驱动,并安装有关节力矩传感器,关节弹性对阻抗控制的影响不可忽略,且空间机械臂臂杆长,长臂杆放大关节误差,同一末端精度指标下,对空间机械臂的控制要求更为严格。本文基于柔性关节机械臂模型,设计了空间机械臂的笛卡尔空间阻抗控制算法。该算法由关节弹性力矩镇定的运动内环和调整刚度阻尼特性的阻抗外环组成:内环负责消除运动过程中柔性传动环节导致的弹性震颤,使柔性关节机械臂等效为刚性机械臂;阻抗外环在任务空间建立位置阻抗方程和姿态阻抗方程,基于期望阻抗与末端力反馈对期望轨迹进行修正,由运动内环跟踪柔顺轨迹,实现末端阻抗调整。阻抗控制器的性能取决于对外力的感知精度,为了实现自由空间下阻抗控制器的高精度运动控制,应该从关节力矩传感器输出信号中剥离机械臂的惯性力矩和科氏力矩成分,这依赖于对机械臂动力学参数的辨识。本文提出了基于浸入与不变原理的参数辨识方法,参数更新律中引入参数估计修正项,以参数估计误差作为流形,以流形不变且吸引为条件构造修正项。相比于经典的基于确定等价原则自适应控制,该方法可获得更准确的动力学参数,对兼顾实现阻抗控制器高精度运动控制和低刚度软捕获控制具有重要意义。除动力学参数不确定性外,完整的阻抗控制器还需要解决状态观测与抗扰动问题。空间机械臂关节中仅安装有电机位置、关节位置传感器和力矩传感器,其中力矩传感器约有±2Nm的测量噪声,本文设计了基于布朗运动模型的Kalman观测器,完成了通用噪声模型下的关节力矩及其高阶信息、电机速度的统一观测,并由此推算出关节状态,仅利用电机位置信息获得了控制器所需的全部运动状态,解决了空间机械臂有限传感器配置与高精度控制之间的矛盾;另外,针对电机中非线性摩擦扰动,在运动控制内环中引入了滑模观测器,补偿电机中的粘滞摩擦与库仑摩擦,实现了闭环系统对摩擦扰动的鲁棒性,同时克服了一般滑模方法中控制量震颤的缺点。阻抗控制器赋予了空间机械臂良好的控制性能,提出的基于视觉测量反馈的运动规划方法则为机械臂接近并跟踪翻滚目标提供了正确的运动指令。方法分为粗伺服和精伺服两个阶段,粗伺服将视觉测量反馈作为标志位,通过对机械臂末端速度的加-减速调整,解决了远距离测量大噪声情况下的平滑接近动目标问题;精伺服在设定时间内消除臂末端与目标之间的初始偏差,实现了对动目标的稳定跟踪。最后,搭建地面实验系统开展在轨任务验证:在三维硬件在环半物理系统中,开展机械臂视觉跟踪非合作翻滚目标实验,验证了提出的规划算法的有效性和阻抗控制器的运动控制性能;在二维地面微重力系统中,开展空间机械臂捕获大惯量运动目标实验,验证了阻抗控制算法的软捕获性能。本文的研究内容面向机械臂捕获非合作翻滚目标,对空间臂的其他在轨任务、工业机械臂规划、运动及力控同样有参考价值。