空间机器人一直是在轨服务技术中的重要选项之一。随着服务对象的不断扩展,加之航天任务对可靠性的极高要求,单臂乃至多臂空间机器人将面临一些难以胜任的操作任务。而小卫星的应用和编队技术的成熟,使得多空间机器人协同服务成为可能。本文以多空间机器人编队组成的在轨服务系统为研究对象,以李群李代数和旋量理论为基本工具,在建立系统运动学和动力学模型的基础上,重点研究了运动规划和跟踪控制问题。所得主要成果如下:1、系统地建立了服务系统的运动学模型。（1）基于指数积公式和刚体变换法则,选择系统质心为惯性坐标系原点,推出了多臂空间机器人的位置级正运动学方程;（2）在基座位姿部分已知的条件下,通过四元数法建立了关于状态变量的方程组,然后采用牛顿迭代法进行求解;（3）基于空间机器人的运动学方程,建立了全局坐标系下,服务系统捕获目标前后的位置级运动方程;（4）分别推导出了服务系统捕获目标前后基座和末端的广义雅克比矩阵,并提出了一种利用改进欧拉法求解基座姿态的方法。2、求解分析了服务系统的工作空间问题。（1）针对双臂空间机器人,提出了一种改进的虚拟机械臂建模方法（MVM）,避免所得模型中出现多个互不独立的被动球形关节;（2）对双臂空间机器人的工作空间进行分类并给出了数学描述。然后搭建虚拟机械臂的SimMechanics模型,采用蒙特卡洛法得到双臂系统不同类别的工作空间云图。可以看出,各工作空间均为圆环状,且左右臂对称;（3）基于双臂系统位置级运动学方程,采用蒙特卡洛法得到了基座姿态有约束时的工作空间云图;（4）在一般协同工作空间的基础上,提出了针对协同抓捕的广义工作空间,同时给出了求解步骤。在仿真算例中对这两类工作空间分别求解,并做了对比。3、研究了考虑最优停靠位置的关节轨迹规划问题。（1）通过坐标变换,给出了在空间机器人系统质心坐标系中表出的停靠位置及其约束条件;（2）采用正弦函数与五次多项式结合的方法参数化了关节轨迹,给出了待定参数的取值范围;（3）针对基座姿态扰动最小化和基座姿态调整到期望位置两种情况,分别建立了目标函数;（4）给出带有改进的高斯变异算子的遗传算法的详细求解步骤;（5）通过仿真算例验证了规划策略的可行性。4、研究了笛卡尔空间内多空间机器人多目标的末端协调轨迹规划问题。（1）提出了一种基于梯形速度插值的驱动变化法,可以规划得到具有线性特征,又带有加速和减速阶段的末端位形曲线;（2）建立了带有协调约束的多目标优化模型,优化目标分别为运动时间最优和基座姿态扰动最小;（3）提出了一种基于非支配排序的双种群多目标果蝇算法,具有较好的全局寻优能力和搜索效率;（4）以两个平面三自由度空间机器人组成的服务系统为对象,仿真得到了形态良好的Pareto最优前沿,然后对典型解进行了详细分析。5、研究了基于SE（3）的末端轨迹跟踪控制问题。（1）根据拉格朗日原理,建立了服务系统捕获目标前的动力学模型。然后基于GJM,推导了工作空间内的动力学方程;（2）基于SE（3）的对数映射和空间速度构建了状态变量误差反馈量,然后基于前文推导所得的运动学方程以及GJM,设计了基于PD控制律的闭环连续跟踪控制策略,具有较高的控制精度;（3）考虑到系统状态变化较为剧烈时,PD控制律的精度会降低,进一步设计了鲁棒滑模控制律,能够克服PD控制的缺点;（4）考虑到模型存在参数不确定性和干扰,设计了一种模糊滑模控制律,基于该控制律构建的闭环连续跟踪控制策略具有较高的控制精度和良好的鲁棒性能,同时消除了抖振。