空间机器人在轨服务过程中,对航天器的捕获、抓取操作能力是其必不可少的一项关键技术。为了保证空间机器人系统在外太空运行的可靠性,对其捕获航天器过程的碰撞分析、动力学演化,及其后混合体系统的控制设计都是非常必要的。文中分别研究了单臂空间机器人、全柔性臂空间机器人、双臂空间机器人捕获航天器过程动力学演化,及其后对应的关节运动镇定、柔性振动抑制以及闭链混合体系统的姿态管理及辅助对接操作过程。结合拉格朗日方程、描述柔性变形的假设模态法及多刚体动力学理论,分别建立了空间机器人及目标航天器的动力学方程。基于动量守恒定律、力的传递规律、以及相应的运动、几何约束条件,经过积分与简化处理,分析求解了空间机器人捕获航天器后受到的碰撞效应,并获得了空间机器人与目标航天器组成的混合体系统动力学方程。针对单臂空间机器人捕获航天器后形成的混合体系统,考虑了复杂工况下的控制系统设计。空间机器人输出力矩受限时,设计了基于非线性滤波器的饱和控制方案,限制力矩输出。考虑到星载计算机的计算能力有限,基于神经网络控制理论设计了分块滑模自适应控制方案,以完成控制系统的模块化设计,减小了算法的运算量。当系统同时存在外部扰动以及参数摄动时,设计了双幂次滑模神经网络控制方案,利用快速双幂次滑模趋近律保证了系统的收敛速度,并运用神经网络逼近系统的参数不确定项及外部扰动。为实现全柔性臂空间机器人捕获航天器后形成的混合体系统关节运动镇定、柔性振动抑制一体化控制,利用奇异摄动方法将系统进行双时标分解,并设计了模型误差补偿滑模神经网络控制方案和极限学习机控制方案;借助虚拟力思想,获得了描述柔性振动及刚性运动的混合轨迹,以此为基础,提出了基于梯度下降法的自校正控制方案以及基于扩张状态观测器的鲁棒控制方案。上述控制方案都获得了关节、姿态运动镇定及柔性振动抑制效果。空间机器人双臂捕获航天器过程的动力学及控制问题包括:捕获前后构型的开、闭环变拓扑,动量、动量矩与能量传递变化,非完整动力学约束,以及存在闭环几何、运动学约束。根据不同的工况的控制要求,对捕获操作后形成的闭链混合体系统设计了自适应模糊H∞鲁棒控制,自适应PID饱和控制,递归模糊神经网络控制以及基于Hamilton-Jacobi-Bellma方程的神经网络最优控制。同时,为了保证各机械臂协同操作,利用加权最小范数方法进行各关节的力矩分配。最后通过数值方法分析碰撞冲击效应,利用仿真实验模拟了闭链系统的运动过程,同时验证了上述控制方案的有效性。