随着太空技术的发展,人类探索太空的活动日益增多,越来越多的人造卫星被发射升空。卫星服役期满后不具备继续工作的能力,滞留在太空中形成太空垃圾,造成资源浪费,并对后续太空活动产生威胁。近年来,具备在轨维护和清理功能的空间机器人广受关注,其最基本的任务要求是实现在轨捕获。本文针对自由漂浮空间双臂机器人在轨捕获过程中的构型转换阶段、视觉伺服接近阶段和闭链阶段,围绕基座姿态扰动抑制和闭链稳定抓捕策略进行研究,具有重要的理论与现实意义。为了使空间机器人执行在轨任务时保持对地通信,需要保证机器人基座的姿态稳定性。本文首先对自由漂浮空间双臂机器人进行建模,针对构型转换阶段,本文提出了改进的双向逼近法,实现关节空间点到点运动的轨迹规划和基座扰动的终态抑制。该方法将机器人轨迹规划过程等效为真实与虚拟机械臂的相遇问题,推导空间机器人加速度级运动学方程,利用速度项和构型误差项设计李雅普诺夫函数,并针对模型提出参数选取方法,实现机器人的点到点平滑运动规划和基座姿态扰动消除。在视觉伺服目标接近阶段,空间机器人在相机或激光雷达的实时引导下完成在线轨迹规划。针对冗余自由度不足以实现基座无扰运动的情况,本文提出了基于动作序列的视觉伺服基座扰动优化算法。该方法以实时基座姿态扰动最小化为目标,将视觉伺服过程划分为连续的动作序列,在其内部以短时预估值为边界条件,采用最优控制算法对基座姿态扰动进行优化,以实现自由度充足情况下的无扰运动规划和自由度不足情况下的最小扰动规划。利用双臂机器人抓捕任务目标时会形成机械闭链,计算机控制系统的离散与通信系统的时延等因素极易导致闭链系统失稳。本文对“一臂操作,一臂锁紧”的抓捕过程进行建模,提出了三维根轨迹法分析闭链系统的稳定性,该方法通过研究多参数耦合作用下时延离散系统的稳定域变化情况,探究能使系统稳定的参数间的相互关系,并在此基础上提出了保证闭链过程快速且安全的稳定捕获策略。本文搭建了硬件在环半物理微重力实验平台,针对捕获过程各阶段分别进行了算法验证实验,其中构型变换实验与视觉伺服实验分别验证了相应方法对基座扰动的约束能力;闭链抓捕实验证明本文所提抓捕策略可有效实现离散与时延条件下双臂闭链系统的稳定捕获。此外通过将实验结果与仿真结果对比,可以证明采用仿真方法进行算法验证及优缺点分析的可靠性。