空间机器人是机器人领域的重要研究方向之一。由于空间环境的特殊性，如高低温、真空、高能粒子辐射等，对机器人机构设计、感知系统设计、驱动系统设计、控制系统设计以及遥操作、地面仿真实验系统设计等都提出了更严格的要求。因此，本文结合国家“863”课题“小型智能飞行机器人系统（FFR）——机械臂分系统”，重点研究了HIT/DLR空间机械臂关节驱动系统的设计和关节控制系统的设计。　　HIT/DLR空间机械臂的设计采用模块化的设计思想，即组成机械臂的6个关节完全相同，提高了机械臂系统的互换性和可维护性，缩短了开发周期。每个关节采用机电一体化的设计理念，集机构、驱动、传感、控制为一体，具有高度的集成化。基于FPGA的关节控制器系统，不仅实现关节内部所有传感器信息的采集、电机的驱动，而且还实现关节空间的位置控制，阻抗控制以及轨迹规划等。除此之外在FPGA内部还嵌入了CAN总线控制器，提供了与主控计算机通讯的CAN总线接口。设计的具有闩锁保护的电源电路提高了关节电气系统的可靠性。为了提高关节的定位精度，设计了利用关节电位计信息和增量式电机磁码盘信息的关节位置信息融合算法，实验结果表明，这个算法满足空间机械臂系统精度的要求。　　本文推导了永磁同步电动机的数学模型，比较了永磁同步电机在旋转坐标系下电流控制的四种控制策略，并且对SPWM、SPWM注入三次谐波以及SVPWM等调制算法进行了深入地分析，并结合HIT/DLR空间机械臂关节永磁同步电机的特点，得出关节内永磁同步电机适于采用0di=的磁场定向的矢量控制策略及SPWM的调制方式的结论。在此基础之上，利用FPGA实现了HIT/DLR空间机械臂关节永磁同步电机的驱动设计，通过对永磁同步电机伺服系统三环的调节（电流环、速度环、位置环），实现了电机位置控制精度达到±1个脉冲的结果。　　本文还简述了谐波减速器原理，利用设计的力矩传感器实现了对谐波减速器周期性扰动的补偿，建立了空间机械臂柔性关节的模型，利用Paul提出的四次多项式路径插补算法，实现了对期望位置信息的细分，采用具有力矩反馈的位置控制器，实现了柔性关节的在自由空间的位置控制，并且对约束空间关节的阻抗控制进行初步研究。最后通过在气浮平台上进行的机械臂运动实验以及在清华大学进行的机械臂综合精度测试，进一步证实了设计的具有力矩反馈的关节控制器具有较高的鲁棒性和较高的控制精度。　　最后本文阐述了针对空间特殊环境，关节伺服系统作的相应的设计。提出了HIT/DLR空间机械臂关节的故障容错策略，建立了关节故障树模型，改进了关节故障检测算法，即不仅比较期望位置与传感器的位置信息，还增加了比较传感器之间的位置信息，并且基于模糊控制的思想，设计了阈值自动调整的规则。设计并验证了基于FPGA的双模冗余控制器系统的切换策略以及冗余CAN总线的切换策略。