空间机器人能够代替人类宇航员在空间环境中进行空间探索、科学实验等活动,大幅度降低了宇航员在太空活动中风险和成本。现阶段在轨任务中,相当多的一部分为非接触类的演示任务,对于接触类操作任务研究较少,而精细操作任务的研究更是寥寥。天宫二号机械臂属于舱内服务机器人范畴,主要用于满足航天器内设备维修和物体捕获的需求。本文主要研究天宫二号机械臂运动学标定位形优化选取策略以及针对两种类型操作任务的轨迹跟踪控制策略,并且进行地面重力环境与空间微重力环境下的仿真与实验验证。首先,研究天宫二号机械臂运动学标定位形优化选取策略。利用矩阵摄动理论,将测量误差与标定误差之间的辨识雅可比矩阵,推广到含有矩阵摄动表达的摄动辨识雅可比矩阵。接着根据摄动展开式,推导出辨识雅可比矩阵是如何被位形集合影响的基本原理,并且结合DETMAX算法,建立从位形摄动到奇异值变化的封闭映射,在避免数值计算不稳定的同时解决位形陷入局部最优的问题。通过与常见的随机搜索法,蒙特卡洛搜索算法,IOOPS搜素算法进行对比,证明本文提出的方法具有更高的标定精度。然后,提出一种基于滑模观测器的轨迹跟踪控制方案,用于天宫二号机械臂旋拧J599电连接器的操作任务,对关节迟滞特性和非线性摩擦特性进行分析,基于Swevers模型对机械臂在执行旋拧任务时的摩擦情况进行补偿,接着分析不同重力环境下的机械臂系统动力学模型,将机械臂系统模型以非线性系统状态方程的形式进行描述,通过将耦合扰动问题转化成非耦合扰动问题,对系统状态进行估计。将空间微重力环境下相对于地面重力环境下的模型变化视为内部不确定态,重力载荷的消失视为外部扰动,从干扰抑制的角度对这些非线性集总扰动进行解耦与重构。提出一种基于滑模观测器的轨迹跟踪控制方案,将神经网络中的Logistics函数应用到趋近律的设计中,提高控制系统的动态性能。接着,提出一种基于扩张状态观测器的轨迹跟踪控制方案,用于捕获空间漂浮小球任务,首先设计非线性扩张状态观测器将扰动扩张成新的状态并且对此进行估计,采用自适应参数整定方案对扩张状态观测器增益进行滤波,在第三章对模型内部不确定态和未知外扰进行成功观测的基础上,设计观测效率更高的扩张状态观测器,使内部不确定态和未知外扰脱离开集中扰动,利用先验结果提高观测效率,此种高阶扩张状态观测器能够在有限时间内估计出系统的未知状态和集总扰动。并且通过调节增益与阶数使计算复杂度与观测精度达到平衡。最后针对单目相机在景深方向精度较低引起控制抖振的问题,设计模糊滑模控制器,将控制律拆分成已知控制律和模糊控制律,利用模糊系统的切换增益代替切换控制律,降低捕获过程中会产生的抖振现象。最后,搭建天宫二号机械臂手系统实验平台,完成操作任务的同时对本文提出的算法进行验证。利用天宫二号机械臂、多指仿人灵巧手、遥操作系统、中央控制系统以及视觉系统等硬件搭建可用于执行旋拧J599电连接器、捕获漂浮小球任务的实验平台。对天宫二号空间站实验舱内的坐标进行定义与转换,编制地面模拟系统软件,用于地面同步验证实验。最后在舱内微重力环境下采用基于滑模观测器和扩张状态观测器的轨迹跟踪控制方案进行了旋拧J599电连接器实验与捕获空间漂浮小球实验。验证本文提出的方法在解决舱内标定问题、轨迹跟踪控制问题,具有很强的针对性和有效性,为这一类问题的控制策略提供一定的理论基础和指导意义。