随着空间技术的发展,大型机械臂在空间得以成功应用,成为空间装配、搬运以及在轨维修的重要工具,作为这类空间机械臂的执行部件,大型末端执行器发挥着重要作用。由于大负载能力的要求,大型末端执行器不仅需要具有强度高、输出力大的特点,还应具备大容差范围的捕获能力,以克服因视觉精度及大型机械臂自身柔性引起的末端定位误差。随着中国空间站建设工作的逐步推进,空间大型机械臂及其末端执行器技术已经受到国家有关部门的高度重视,成为目前国内航空领域一个重要研究热点。因此,本文旨在研制出一种适用于空间站建设的大型机械臂末端执行器,在此基础上,围绕着机械臂在轨捕获时局域自主抓捕控制及的载荷搬运过程中的笛卡尔路径规划等问题展开深入研究。　　空间大型机械臂由于长臂杆的变形及其关节柔性,很难保证在轨抓捕时实现较高的末端跟踪定位精度,针对这一问题,本文研制出了一种具有大位姿容差捕获能力的高集成度空间大型末端执行器,从而通过增大末端执行器的捕获容差以弥补机械臂的定位误差。该末端执行器由抓捕、拖动及锁定三部分机构组成,集成了视觉、位置、力、温度及电流等多种传感器。基于机电一体化的设计思想,将三个环节的驱动控制系统集成在末端执行器内部。采用分布式控制策略,通过M-LVDS总线与中央控制器进行通信,实现了末端执行器控制参数的在线调整。　　为了提高末端执行器的伺服控制性能,本文实现了基于FPGA的快速电流闭环控制,控制周期优于50us,使电流在每个调制周期的都能得以快速的控制,加快了系统的响应。设计了全维速度观测器来观测电机转速,与用位置信息差分滤波获得的电机速度相比,该速度信号具有相位滞后小、曲线平滑无毛刺等优点,以观测器输出的速度信号作为反馈引入了伺服系统的闭环控制中,能够有效地改善了期望电流的波形,降低了测量噪声对伺服系统的影响。提出了基于GMS模型的摩擦辨识的具体实验方法,并对伺服系统的摩擦力进行了前馈补偿,获得了良好的实验效果。　　针对空间大型机械臂的长臂杆变形以及关节柔性带来的末端跟踪定位精度不高的问题,本文基于柔性捕获环,建立了漂浮目标的动力学模型以及空间碰撞动力学模型,提出了一种基于柔性捕获环的局域自主抓捕策略。通过对目标惯性参数、相对位姿容差等对抓捕的影响进行的仿真研究,获取了抓捕经验,将动态抓捕区域详细划分为难以抓捕区域、快速抓捕区域和策略抓捕区域,针对后者提出了基于动态速度规划的抓捕策略。本文最后利用地面微重力实验平台,验证了本文提出的局域自主抓捕策略的有效性。　　采用逆广义雅可比矩阵的方式可实现自由漂浮空间机械臂系统的末端位姿控制,但无法保证基座在载体搬运过程中的姿态扰动,而过大的姿态扰动会对载体功能产生影响,针对这一问题,本文提出了一种基于“适应值修正+自然选择”的粒子群算法的笛卡尔轨迹优化方法。该方法参数化时采用了5次多项式和余弦函数的乘积表示的螺旋状笛卡尔轨迹,根据边界条件,搬运轨迹方程最终由8个待定参数决定。最后,通过适应值修正的自然选择粒子群算法完成了全局无约束条件下的轨迹寻优。仿真结果表明,这种方式获得的轨迹能够在载体搬运过程中保证基座姿态扰动处于较小的范围内,关节路径平滑连续,具有较强的实际应用价值。