在空间非合作目标捕获任务中,由于机械臂处于自由漂浮状态,同时存在系统动力学耦合等特性,捕获接触产生的碰撞力会引起空间机器人及目标航天器的随动,甚至造成航天器的损坏。因此,为实现准确抓捕及减小机械臂末端与目标航天器的碰撞力,本课题针对抓捕过程中目标特征难识别、抓捕冲击难控制、运动控制难协同等问题,以微重力环境下机械臂和目标航天器的接触具有随动不确定性为研究背景,分别从目标状态估计、机械臂轨迹规划和末端柔顺控制三个阶段对抓捕阶段进行研究,建立了一套较完备的空间机械臂柔顺捕获策略。课题主要完成工作如下:首先,提出了一种基于点云协方差矩阵变换的相对姿态估计方法,无需点云特征识别和提取,可以为机械臂的轨迹规划和控制提供先验信息。该方法利用平面点云旋转特征不变性实现了点云配准;为解决连续配准后造成的累计误差,在关键帧利用迭代最近点算法进行姿态约束,并通过图优化对姿态进行了修正。在完成了目标点云帧间相对位姿估计后,设计了扩展卡尔曼滤波器对目标的位置、速度、角速度等参数进行持续估计。仿真结果表明,该方法在点云小角度变化的情况下,无需提取特征点即可得到较高的配准精度和状态估计精度。其次,提出了一种适用于自由漂浮状态下的非冗余机械臂碰前轨迹规划方法。该方法利用空间机械臂的动力学耦合特点和非完整冗余特性,在初始状态和最终抓捕状态之间增加了一种过渡状态,以保证末端抓捕位置和姿态的准确性;利用粒子群算法对过渡状态和参数化的关节角进行寻优求解,并最小化关节运动和碰撞脉冲造成的基座扰动。以空间六自由度机械臂为例进行的仿真结果表明,该方法可以实现非冗余机械臂的碰前最优轨迹规划。然后,提出了一种基于PD-阻抗组合控制算法的柔顺捕获策略,用于实现服务航天器与目标航天器之间的安全稳定接触。为吸收碰撞过程的能量,首先在机械臂末端设计了一个弹簧-阻尼系统,并利用拉格朗日方程推导了相应的动力学方程。为实现接触过程的柔顺性,提出了一种位置阻抗控制方法,该方法建立了稳态误差和碰撞接触力的关系;根据相对速度和碰撞方向推导了机械臂末端期望轨迹的一般方程。仿真结果表明,末端的接触平面可以在较短时间内对目标航天器进行减速和消旋,整个过程中的接触力、相对速度和相对角速度均逐步趋近于零。最后,设计并搭建了一套基于深度相机的机械臂抓捕实验平台,在此基础上完成了机械臂和相机的标定,验证了目标状态估计算法,实现了机械臂目标跟随控制功能,为后续柔顺捕获任务奠定了良好的基础。