空间机械臂作为典型的在轨操作工具,可以很大程度上协助或替代宇航员完成繁重的空间任务。综合考虑空间机械臂工作环境的恶劣性以及关节结构的复杂性,在其长期服役过程中极有可能出现关节失效现象。空间机械臂一旦失效,通常无法进行及时修复,且维修费用高昂,这将导致空间任务的推迟其至延误,从而影响到整个航天计划的实施。因此,为保证空间机械臂在关节失效锁定后仍能最大限度的继续完成工作,迫切需要开展关节失效锁定状态下的容错运动控制基础理论研究。本文以提高空间机械臂在轨运行容错能力为目的,针对单关节失效锁定情况,开展了空间机械臂末端运动轨迹容错性能评估、关节空间容错构型群组求解、多约束多目标的全局容错轨迹优化等研究并验证了相关方法的有效性,研究内容具体包括以下几个方面:首先,建立了可靠容错空间与任务方向退化可操作度作为空间机械臂容错性能指标;基于可靠容错空间提出了空间机械臂末端运动轨迹容错性能评估策略;通过数值仿真验证了改进后容错性能指标的优越性和末端运动轨迹容错性能评估策略的有效性。其次,分析了给定末端运动轨迹序列点的关节构型集合求解方法;引入关节构型容错性能评判准则并给出了其数学描述,以此为标准提出了对应末端运动轨迹序列点的容错构型群组求解方法并验证了其正确性。然后,采用多项式插值的关节轨迹规划,解决了容错构型群组的连通问题;考虑机械臂运行过程中关节角限位、避障等约束条件,以任务方向退化可操作度、能量为优化目标,建立了多约束多优化目标的全局容错轨迹优化模型;采用多目标粒子群算法进行了全局容错轨迹优化并获得了 Pareto最优解集。最后,利用课题组已有的气浮式空间机械臂地面实验平台,搭建了与之对应的三维仿真系统;设计了全局容错轨迹实验验证方案,通过在运行过程中锁定故障关节来模拟关节失效情况,对本文研究的空间机械臂全局容错轨迹优化方法进行了三维仿真与地面实验验证。