伴随着人类太空探索活动的日益增多,空间科学技术的研究发展也越来越受到关注。由于硬件故障或燃料耗尽,每年都有大量卫星无法继续作业。因此,空间在轨服务技术具有非常高的科研价值和商用价值,在未来的太空科学领域必将蓬勃发展。考虑到通信卫星等高昂的开发成本和发射成本,能够执行卫星维护工作的在轨服务空间机器人应运而生。对于空间机器人来说,在轨捕获目标卫星是实现在轨维护的基础。而在轨捕获目标卫星需要通过在轨姿态跟踪、接近和抓捕三个过程来实现。本文主要研究空间机器人在轨姿态跟踪、接近和抓捕目标卫星过程的关键技术问题以及地面验证实验问题,这是空间机器人在轨服务的基础,能为后续空间机器人在轨任务的实现提供相应的技术支持。本文建立空间机器人的速度级运动学方程,在此基础上,提出一种基于优先级思想的速度级运动学,该算法通过建立各个子目标与零空间的映射关系,得到空间机器人多目标速度级运动学的通解。对运动学中的关节限位约束、关节速度约束和避奇异性这三个约束问题,分别提出了相应的优化方法,最后,将这三个约束统一到空间机器人多目标优先级的运动学通解中。在目标卫星的姿态跟踪和接近过程中,空间机器人需要借助相机或激光雷达等传感器来获取目标卫星的实时位姿信息,用于实现空间机器人的在线运动规划。本文通过手眼相机实时获取位姿信息,用于实现目标姿态跟踪与接近过程的运动规划,并对系统的时延问题进行分析和补偿。本文将多目标优先级运动学算法应用于空间机器人对目标卫星的姿态跟踪和接近过程的视觉伺服运动规划中。在姿态跟踪目标卫星的过程中,运动规划的目标是实现跟踪目标卫星的姿态的同时实现基座姿态无扰动,并对末端位置的运动进行优化。在接近目标卫星的过程中,运动规划的目标是实现空间机器人精确接近目标卫星的捕获点,并优化基座姿态的扰动。在目标卫星的抓捕过程中,空间机器人系统不可避免发生接触或碰撞问题。本文建立了空间机器人与目标卫星的动力学模型,分析了二者之间的接触/碰撞力与速度的关系,以此作为空间机器人运动控制与运动规划速度约束的理论依据。然后结合阻抗控制与基座姿态扰动优化的算法思想提出一种空间机器人抓捕目标卫星的多目标运动控制方法,该方法既可以保证抓捕接触的柔顺性,又可以减少对基座姿态的扰动。为验证上述的运动规划算法(目标姿态跟踪与接近)与运动控制算法(目标抓捕)在实际空间机器人系统应用的有效性,需要进行地面实验和验证。由于地面重力环境与太空微重力环境存在显著不同,这会导致空间机器人的动力学特性、运动规划以及运动控制等方面存在很大差别。为了更真实地模拟空间机器人在太空中的运动学与动力学特性,本文基于硬件在环仿真原理搭建了地面三维微重力模拟实验系统。该系统可用于实现空间机器人的三维空间运动,模拟基座的漂浮运动以及验证空间机器人抓捕目标过程中的接触碰撞问题。然后利用该系统进行基于视觉伺服的空间机器人在线运动规划与抓捕接触运动控制等相关实验,验证了该系统的有效性。