随着航空航天技术的迅猛发展,机械臂在空间任务中得到了越来越多的应用。本文围绕空间七自由度机械臂在狭小空间中操作目标靶板完成装配任务展开,主要研究了机械臂正逆运动学和逆动力学、冗余机械臂运动控制和运动学优化、力控制和靶板装配策略。为了解决七自由度机械臂的自运动现象,本文采用“臂角”参数化冗余度,求得了七自由度机械臂位置层面的全部逆解。针对臂角奇异问题,本文改进了“臂角”参考平面定义方法,在未产生臂角奇异时使用固定向量定义参考平面,在臂角奇异时采用第3号关节为零的臂平面定义参考平面,仿真结果表明即使在臂角奇异时也能求得七自由度机械臂位置层面的全部逆解。针对多自由度机械臂动力学方程计算量大的问题,本文借助Space Notation工具,研究了七自由度机械臂动力学方程的Newton-Euler递推算法,并将其表示成了机械臂惯性参数的线性方程。基于此线性方程,本文改进了自适应控制中的惯性参数更新率,该方法能够使惯性参数更新率直接从正运动学中计算得到,减少了计算量。使用ADAMS和Simulink联合仿真平台进行仿真实验,ADAMS输出的关节力矩与逆动力学模型计算的关节力矩完全一致,验证了动力学算法的有效性。为了能够使机械臂在狭小空间中运动,本文通过规划“臂角”曲线实现七自由度机械臂避障、避关节限位等优化。利用增广雅克比矩阵,将主任务(跟踪末端轨迹)和扩展任务(跟踪臂角曲线)合并在一起,设计了任务空间中的自适应控制算法。ADAMS和Simulink联合仿真实验表明,该方法既能保证机械臂末端轨迹跟踪精度,又能实现臂角控制,从而实现避障、避关节限位等优化。为了完成靶板装配任务,本文研究了任务空间中的6DOF阻抗控制,同时实现位置和姿态柔顺,并利用混合阻抗控制实现直接力控制。针对在位姿误差影响下,大尺寸工件接触状态复杂、额外接触力矩会增大姿态误差的问题,提出了变柔顺中心靶板装配策略,该策略通过实时计算并更新主动柔顺中心,减小额外接触力矩,并通过力控制保证装配过程中接触状态不变,从而顺利完成装配任务。为了验证变柔顺中心靶板装配策略,本文利用KUKA七自由度机械臂搭建了地面实验平台,在给定的8组典型位姿误差下进行靶板装配实验。实验结果表明,该策略能够在给定的8组位姿误差下全部完成靶板装配任务,验证了变柔顺中心靶板装配策略的正确性。