在人类探索太空的半个多世纪时间里，大量功能各异的航天器被送往太空。随着空间技术的进步，目前航天领域的重大挑战已经不仅仅是如何发送复杂庞大的航天器系统，更多的是如何保证航天器能够更加长久、稳定地在空间轨道上运行，因此在轨维护技术应运而生。相比宇航员舱外维护操作的高危险性和高成本，机器人在轨维护技术以其成本低、危险小以及可持续工作等优点赢得了各国的青睐，而研制可以对航天器各零部件进行维护操作的末端操作工具也成为了其中的关键技术之一。通过分析研究国内外同类项目的需求和研究成果，本文研制了一种针对合作以及典型非合作目标零件的多功能操作工具。首先，本文提出了能够扩展运动且连接不同工具接头的多功能操作工具的总体设计方案，分外接工具接头模块、轴向随动模块、转动离合模块和电器控制模块四部分讨论了功能需求和机构实现，并通过有限元强度分析保证了其设计可靠性。考虑到工具温升控制和运动可靠性等问题，利用遗传算法对制动器电磁线圈进行了优化，并针对其电磁吸合力问题进行了有限元电磁仿真。其次，针对五种工具接头中的螺钉拆卸工具接头进行了研究分析。鉴于该工具接头对螺钉的位置补偿及尺寸适应性功能，提出了以十字滑块和校正片弹簧为核心零件的整体设计方案；并分别对十字滑块的效率与运动特性、校正片弹簧的参数优选与动态响应性能、夹紧爪的受力及捕获检测等进行了研究与设计，得到动态响应迅速、运行平稳的螺钉拆卸工具接头。然后，为研究多功能工具与工具接头之间标准接口的容差性能，本文通过将对接曲面在对接接口坐标系间进行映射变换，分析得出对接所需的力学摩擦条件和几何条件，得到了理论接口容差范围。利用ADAMS软件以及六自由度（6-DOF）机械臂实验平台开展了仿真分析及实验研究，从两方面验证了接口容差性理论及预测容差范围的正确性。最后，本文提出了标准接口对接所需要的柔顺控制策略，分别在整体任务规划层面和具体柔顺策略实施层面进行了讨论。在具体的阻抗控制策略层面，先从理论上对各个目标阻抗参数的柔顺特性及选取进行了研究和预测，接着通过ADAMS和Simulink的联合仿真平台对理论进行了验证，证明了参数选取及预测特性的正确性。