随着人类空间探索的不断前进，空间探索任务呈现多样化、复杂化的趋势。空间任务属性的多样化意味着需要不同功能的末端执行器，这又意味着研发成本和发射成本的增加。所以非常有必要研制末端工具可以更换的末端执行器来扩展空间机器人的功能。本文对实验室现有可更换工具末端执行器进行机构优化，并对其进行位姿容错分析、仿真与实验，最后结合空间机械臂对其工具更换进行了研究。通过实验分析现有末端执行器的不足并结合国内外同类研究成果，本文提出一种由凸轮机构演化的时序机构，以实现末端执行器对工具的捕获锁紧、动力传递和电气连接。通过三维建模软件完成相应零部件的设计、虚拟装配、干涉检查。并利用虚拟样机技术对主要机构进行运动学、动力学分析。最后分别用有限元分析软件对复杂结构、重要承力零部件和计算方法对典型结构零件进行了校核。位姿容错能力是可更换工具末端执行器的重要指标之一。本文分别在末端执行器与工具端建立坐标系，通过关键曲面的投影分析，得出位姿容错所需的几何条件并通过受力分析得出了其所需的摩擦条件。并通过虚拟样机技术对典型位姿偏差的状态进行仿真分析，验证其容错能力，得到相应情况下的接触力情况。并搭建柔顺实验平台，验证仿真分析结果。在排除实验系统误差的前提下，实验结果与仿真结果大致一样。最后，结合上述对容错能力的分析结果，分析末端执行器的工具更换过程。在对对接过程的详细阐述之后，提出了对接成功的依据及对接策略。通过的机械臂阻抗控制的学习，提出了基于四自由度空间机械臂阻抗控制的主动柔顺对接方案，并对其进行了实验。