空间机械臂可以协助宇航员执行搬运载荷、航天器维修等多种空间操作任务,有效降低了宇航员的工作强度并保护了其安全,故其在人类的空间探索活动中正扮演着越来越重要的角色。本课题来源于上海宇航系统工程研究所操控臂项目,以面向空间机械臂地面验证实验为任务的操控臂为研究对象,对操控臂总体的结构设计、关节的结构设计以及操控臂的定位误差展开研究。首先,本文根据任务书中设计指标并结合国内外空间机械臂的应用现状,完成对操控臂的系统设计。按照设计要求,确定七自由度、3-1-3关节配置的操控臂构型,对构型设计进行分析。设计操控臂的承载零件,对各承载零件进行静力学分析,以验证各零件的强度和刚度指标。优化关节外壳结构,以提高操控臂的整臂刚度。对操控臂关节进行旋转刚度估算以及肩部关节轴系刚度测量实验,在此基础上简化操控臂的物理模型。应用简化的操控臂物理模型,对操控臂进行整臂刚度和基频的软件仿真分析。之后,根据对关节性能的设计指标对操控臂关节进行结构设计;面向肩关节大力矩输出的工况,设计了一种新型高刚度关节力矩传感器。根据对关节的输出转矩与转速要求,对操控臂关节进行电机和减速器选型。根据关节在操控臂中的负载情况,进行关节轴承的选型。设计肩关节力矩传感器,对力矩传感器的弹性体进行静力学分析,而后对力矩传感器进行标定实验。根据失电制动器的制动原理,进行失电制动器的弹簧选型与尺寸设计。对关节的承载零件进行静力学分析,以验证各零件的强度和刚度指标。进行关节刚度与力矩输出实验,测定装配后各关节的刚度,完成基于力矩传感器测量值的关节力矩输出标定。最后,对操控臂进行误差分析研究。根据操控臂D-H参数,建立操控臂的运动学模型。在操控臂运动学模型的基础上,建立操控臂的几何误差模型。结合操控臂的结构设计,计算操控臂的运动学参数误差范围。根据运动学参数误差范围的计算结果,对操控臂的几何误差进行仿真分析。对操控臂进行运动学长度参数标定。基于简化的操控臂物理模型,对操控臂的柔性误差进行仿真分析。对操控臂进行定位精度实验,包括重复精度与绝对定位精度实验,实验结果显示操控臂的末端定位精度满足设计要求。