随着航天技术的不断发展,空间机器人因其能够适应空间恶劣的环境、长时间在舱外工作、降低在轨服务成本、提高在轨服务效率以及完成宇航员难以胜任的高精度、高可靠度任务等优势,已经成为当前在轨服务技术发展和应用的热点之一,并逐渐应用于空间站建造与运营支持、卫星组装与服务、行星表面探测与空间实验等任务中。由于空间机器人系统动力学方程本身所呈现的复杂非线性和耦合性,加上一些大型挠性部件的使用(如帆板),使得其在动力学以及捕获动力学问题上面临诸多的难题。此外,由于空间机器人系统结构复杂并工作在恶劣的空间环境下,导致动力学系统的参数难以确定并且有可能引起系统执行机构发生故障或失效,使得其在控制系统设计方面也面临着巨大的挑战。本学位论文在国家自然科学基金(11772187)和上海市自然科学基金(14ZR1421000)的资助下,开展了带柔性帆板的六自由度空间机器人动力学与控制问题的研究,主要研究内容和成果总结如下:(1)对带柔性帆板的六自由度空间机器人的动力学建模问题进行了研究。基于单向递推方法和虚功率原理详细地推导了空间机器人的运动学方程、动力学方程,并且通过与商业软件ADAMS的仿真计算结果对比验证了本文所建立的模型的正确性。仿真结果表明,本文方法所建立的动力学模型能够取得与ADAMS一致的结果;帆板柔性对系统动力学特性有着重要的影响。(2)以带柔性帆板的六自由度空间机器人为研究对象,对考虑系统参数不确定性的轨迹跟踪控制问题进行了研究。基于计算力矩方法,设计了考虑系统参数不确定情况下实现轨迹跟踪的鲁棒自适应控制器,并且通过Lyapunov理论对控制器的稳定性进行了证明;最后通过数值仿真对所设计的控制器进行了验证。仿真结果表明,利用本文所设计的控制器,带不确定参数空间机器人系统的机械臂关节可以到达期望角度,并且保持本体的位形不变,同时能够有效地抑制柔性帆板的弹性振动。(3)以带柔性帆板的六自由度空间机器人为研究对象,对考虑系统作动器失效的轨迹跟踪控制问题进行了研究。针对系统关节失效的情况,利用滑模理论和Lyapunov稳定性理论设计了机器人实现轨迹跟踪的滑模容错自适应控制器,并对闭环系统的稳定性进行了分析;通过数值仿真对比验证了控制器的有效性。仿真结果显示:使用本文所设计的容错控制器,不管作动器是否发生失效,都可以取得很好的控制效果;然而,当作动器发生失效而不处理时,控制效果明显变差;在本文控制器的作用下,柔性帆板的弹性振动同时能够得到有效抑制。(4)以带柔性帆板的六自由度空间机器人为研究对象,对机器人系统轨迹跟踪过程中的柔性帆板弹性振动的控制问题进行了研究。基于奇异摄动理论,将空间机器人系统动力学方程分解为刚体运动的慢变子系统和弹性振动的快变子系统;分别对两个子系统进行子控制器的设计,其中慢变子系统采用的是计算力矩控制器,快变子系统采用的最优控制,从而得到系统总的复合控制器;最后进行仿真对比验证复合控制器的有效性。仿真结果表明:在本文控制器的作用下,空间机器人系统的机械臂关节可以到达期望角度,本体的位形可以得到有效抑制,同时柔性帆板的弹性振动也能得到抑制;复合控制方案中的快变子系统控制器对空间机器人系统的控制效果具有很大影响。(5)对带柔性帆板的空间人的捕获动力学及控制问题进行了研究。首先,利用Hertz接触碰撞理论来描述空间机器人与捕获目标之间的相互作用,主要包括接触碰撞力的计算和渗透深度的实时检测;然后,将接触碰撞力集成到第二章的系统动力学方程中,从而建立起机器人与捕获目标的整个系统的动力学方程。最后,为了保证机器人能够顺利的完成捕获任务,基于计算力矩方法设计了主动控制器以顺利实施捕获。仿真结果显示,帆板的柔性对系统碰撞动力学特性有很大的影响;斜碰会改变系统的姿态;在本文控制器的作用下,空间机器人系统的本体的位移可以得到有效的抑制,同时柔性帆板的弹性振动也能得到抑制。