自定位机械臂不受自身长度和一端永久固定的限制,能将机械臂的操作范围和空间工作体积遍及整个空间舱段的外部,更好的适应我国未来空间站建设与日常维护。自定位机械臂的两端配备相同的末端执行器。现有空间自定位机械臂的末端执行器不能同时实现大捕获容差、中心机械动力输出与机构集成。附加功能需额外设备,限制机械臂的在轨服务能力。因此,研究具备这种功能的末端执行器以及提出一种针对典型ORU更换任务的柔顺操作方法对我国空间机器人技术的发展有很好的促进作用。针对大捕获容差与中心机械动力输出不能同时实现,提出三根手指抓捕三叶状接口的捕获方案,并建立捕获机构。建立手指与捕获机构两者驱动力之间的函数关系,得到拖动形式与机构。针对现有机构死点或偏心锁紧的不足和系统的误差、变形吸收要求,提出一种柔性单元锁紧方案。针对大捕获容差与机构集成不能同时实现,提出捕获与锁紧功能性独立、机构简化的设计准则,依据准则建立机构、捕获顺序、功能和手指轨迹之间的对应关系,依据对应关系提出一种捕获手指在完成捕获后拖动捕获接口收缩的过程中与静止的锁紧机构形成联动——中程联动的方法实现准则,并建立一种钩-轴联动方式和机构,最后采用反推法从联动集成的角度得到锁紧机构。依据功能与结构的对应关系,得到捕获接口的具体结构。根据捕获方案,重新定义捕获容差。针对位置容差变量独立、角度容差变量耦合,提出单维与全维相结合的分析方法和容差分析的四条标准。建立啮合面内与轴向四个单维容差变量分析的数学模型,得到单维容差的范围。针对偏航和俯仰旋转导致捕获特征空间运动不一致,采用捕获手平面与啮合底板边线的旋转轨迹相交将边界点约束在平面内,并与捕获手指的平面抓捕区域边界相比较的方法,建立角度容差变量分析的数学模型,得到角度容差的范围。单维容差分析的数学模型为全维容差分析提供理论依据。针对后者,提出三视图法分析全维容差变量变化的边界约束条件。建立捕获特征空间边界点的旋转坐标变换和变换后三视图投影的数学模型。啮合面上,采用斜率比较和长方形区域约束两种方法得到平面内的全维容差变化范围的边界约束条件的数学模型;捕获手指平面及其过末端执行器轴线的法向平面上,采用单维轴向位置容差范围与标准三分析得到轴面内的全维容差变化范围的边界约束条件的数学模型。仿真结果表明模型的捕获容差满足要求。建立捕获与锁紧过程同手指轨迹之间的对应关系,结果表明过程与捕获接口的初始位姿无关。建立捕获过程分析的数学模型,得到捕获、拖动和中程联动三个阶段的捕获接口、捕获手指和锁紧机构之间的联动关系表达式。为使中程联动成功,建立联动捕获、联动机构确定的约束关系和机构间的运动关系模型。建立锁紧过程分析的数学模型,得到锁紧手指捕获、驱动捕获接口分离的约束关系和锁紧过程中的联动关系表达式。建立捕获力、锁紧力与捕获接口作用力之间的关系表达式,得到捕获与锁紧功能性独立的理论证明。利用分形理论和虚拟材料理论建立锁紧状态下啮合面的刚度特性模型。建立释放过程分析的数学模型,得到安全释放条件。仿真结果表明捕获与锁紧过程的数学模型为末端执行器的捕获操作分析提供了理论依据。继样机的环境适应性、刚度等性能测试满足要求之后,捕获容差在由两台工业机械臂组成的系统平台上测量,结果显示样机的容差范围满足要求。末端执行器的自定位捕获与有效载荷捕获在气浮平台上测试,结果表明中程联动能明确区分捕获与锁紧过程,实现两者功能性独立。在样机性能测试的基础上,执行ORU更换在轨模拟实验。确立ORU更换过程中的接触状态为非共形接触和共形接触,分别建立基于Hertz理论和Winkler弹性地基理论的两类顺从接触模型,由此提出基于接触动力学管理策略的ORU更换柔顺任务操作。针对气浮平台无法模拟在轨三维非线性接触,根据捕获过程的特点,采用“切片”法,将接触分为轴向和径向平面内的接触,最大限度保留在轨接触的子集。实验结果表明机械臂在零力控制模式下能够实现ORU的软捕获,在关节阻抗控制模式下能够实现ORU的柔顺安装。