“神舟七号”宇航员成功出舱行走,是我国载人航天工程一个新的里程碑,是我国建立空间站迈出的第一步。但是太空环境极其恶劣,送宇航员到太空的成本高、风险大,而空间机器人安全、节省燃料,因此引起人们的广泛关注。然而空间机器人系统是一个高度耦合的非线性系统,包含着复杂的运动学、动力学特性,所以,有必要深入研究其内在运动规律,为改善这类空间机器人的工作性能提供重要的依据和方法。本论文较为系统地进行了将非线性动力学中的混沌理论应用于自由浮动冗余度空间机器人系统运动学、动力学特性研究的探索,主要研究工作如下:首先,推导出自由浮动冗余度空间机器人系统的运动学方程和广义雅可比矩阵。结合广义雅可比矩阵说明了空间机器人和地面固定基座机器人在运动学特性上的不同。用混沌数值分析方法中的相平面法、Poincare截面法和最大Lyapunov指数法对自由浮动冗余度空间机器人的末端执行器重复跟踪其工作空间内的封闭路径时的运动特性进行了研究。仿真研究发现,不同的结构参数、初始位形均能导致运动学系统的混沌运动。该研究能够解释自由浮动冗余度空间机器人关节“漂移”现象,并为解决该问题提供新的思路。其次,分析了混沌控制的各种方法,选择状态延迟反馈控制方法对上述运动学混沌系统进行控制。仿真研究表明,在适当的参数条件下,运动学混沌系统由混沌运动转变为规则的周期运动,从而实现了混沌控制,为解决空间机器人关节“漂移”提供了有效途径。另外,对影响状态延迟反馈控制器性能的两个参数进行了深入的探讨,总结出其取值规律和方法。最后,建立了自由浮动冗余度空间机器人系统的动力学模型,用最小力矩方法来规划关节力矩,应用上述混沌数值分析方法对其进行研究分析。仿真研究发现,不同的结构参数、初始位形均能导致动力学系统的混沌运动。对空间机器人动力学系统混沌施加状态延迟反馈控制,使其由混沌运动转变为规则的周期运动。对空间机器人动力学系统的混沌识别与控制为改善机器人的性能及优化其结构参数和控制方案等提供可行的途径,在航天工程的应用中具有重要的理论意义和实用价值。本文的研究,为开展其它更复杂的高冗余度、柔性、双臂自由浮动空间机器人系统中存在的混沌现象的研究工作奠定了基础。