近些年来,随着地球轨道上的太空垃圾越积越多,太空垃圾给人类的宇宙探索活动带来了重重阻碍,因此世界各国开始对太空垃圾回收问题进行广泛关注。当前,已有的太空垃圾回收方法主要有空间机械臂捕获技术、空间飞网和飞爪技术、空间桁架式抓取机构技术等,相对其他的回收技术,空间桁架式抓取机构技术具有可操纵性好、刚度高、驱动简单、适用范围广的优点。以太空垃圾回收为背景,本文主要围绕可展开桁架式机械手设计、动力学建模、运动控制和抓取规划等方面开展理论和实验研究。针对一般性太空垃圾的抓取操作和空间应用中的运载问题,基于剪叉机构和双平行四边形机构,进行可展开桁架式抓取机械手的设计与分析研究。首先,提出一类的可展开桁架式抓取机械手,该机械手在运载时可以获得一个紧凑的构态,在抓取操作时可以获得一个大尺度的构态;并且它的展开运动和抓取运动是运动学解耦的。为了提高机械手的可靠性和稳定性,通过设计锁定机构,提出一种含锁定关节的可展开桁架式机械手,以满足复杂任务的需要。然后,对可展开桁架式抓取机械手的运动学、展开性能、工作空间、可操作度、紧凑性和刚度等方面进行详细分析,结果表明该机构具有灵巧性好、刚度高的特点。通过分析可展开桁架式抓取机构的串并联和展开机构特征,开展基于递归牛顿欧拉方法的可展开抓取机构高效动力学建模与分析研究。首先,直接利用可展开抓取机构所有杆件间的几何关系,通过获取其系统动能、势能和广义力,基于拉格朗日力学构造其动力学模型,该方法的建模过程涉及几何关系多,计算复杂度高。其次,为了提高该机构的动力学模型计算效率,巧妙利用该可展开抓取机构的几何特征和约束关系,将空间闭环机构的建模问题转化为平面机构问题;利用机构展开和抓取运动引起的相互受力关系,使用递归牛顿欧拉方法构建可展开抓取机构的动力学模型,并完成该机构的动力学耦合分析。通过对可展开抓取机构的展开动力学和展开抓取动力学模型特点的分析,开展该机构展开运动和展开抓取协调运动的自适应鲁棒控制方法研究。首先,针对可展开抓取机构的展开运动中存在的过约束问题,利用扩张状态观测器和动力学模型的额定部分,设计该机构展开运动的自适应鲁棒控制器。然后,考虑可展开抓取机构的动力学耦合特性,利用递归动力学模型,为该机构的展开抓取协调运动设计动力学前馈PD控制器。最后,为了降低对精准动力学的依赖和加强对未知扰动的处理能力,设计一种新型自适应扩张状态观测器,以提高扩张状态观测器的收敛性能;为进一步提高系统鲁棒性,利用非连续映射参数自适应控制律和传统自适应鲁棒控制方法,为该机构的展开抓取协调运动设计一种基于自适应扩张观测器的改进型自适应鲁棒控制器。为了提高可展开机械手包络抓取的稳定性,通过对多点接触抓取的力封闭性分析,进行可展开桁架式抓取机械手的最优包络抓取规划方法研究。针对可展开机械手的抓取操作问题,首先分析可展开机械手的包络抓取模式相对于指尖抓取模式的优点。然后,建立抓取力与力封闭性之间的关系,并利用机械手与被抓取物体之间的接触几何约束关系,形成定量的包络抓取力封闭性判定方法,并通过仿真验证归纳出摩擦系数和展开长度等因素对包络抓取力封闭性评价指标的影响规律。最后,以力封闭性评价指标为优化目标函数,以可展开抓取机械手的手指长度为优化变量,并考虑抓取操作的约束关系,建立一种可展开抓取机械手的最优包络抓取规划方法。最后,研制可展开桁架式机械手的样机并开展系统性的实验研究。为了验证本文提出的可展开机械手的机械性能、各种运动控制方法的控制性能以及含锁定关节的机械手包络抓取性能,搭建可展开抓取机构、单手指和两手指的可展开机械手的实验样机系统。基于搭建的实验样机系统,完成以下控制算法实验验证,包括可展开抓取机构的展开运动控制实验验证、基于递归动力学模型和基于自适应扩张状态观测器的展开抓取协调运动控制实验验证。然后,以搭建的不同可展开机械手为实验平台,对可展开机械手的包络抓取力封闭性和可重构性进行实验验证。综上,本文在可展开桁架式抓取机械手的设计与控制等方面展开深入研究,该研究可为太空垃圾回收、在轨服务等太空任务的完成提供重要技术支撑,具有重要的理论和工程意义。