目前,航天器在轨维修任务主要依靠人类航天员完成,但是复杂的空间环境使之极其昂贵且充满风险。面向航天器在轨维修任务的机械臂(简称“在轨维修臂”)的出现无疑是协助或代替航天员的最佳选择,国际航天界已经在理论研究和工程应用中积累了丰富的经验。然而,大多数在轨维修任务的地面验证或在轨实验只是局限于演示性的自由空间运动项目,而针对接触类工程任务的精细操作实验尚未开展或推迟进行。本文在总装备部载人航天项目的支持下,设计了一种用于接触类航天器在轨维修任务的机械臂系统,并基于建立的控制策略进行了地面实验研究。主要研究内容包括:机械臂系统的设计与分析,在轨维修臂的数学建模及关节参数辨识,基于在轨维修任务的位置控制和笛卡尔阻抗控制研究,以及对于不同控制模式的实验验证等。首先,针对航天器在轨维修任务和系统指标要求,完成了机械臂系统的设计。对不同方案进行综合分析,确定了六自由度“肘部非偏置+球形腕”的本体构型;采用局部模块化思想,设计了小转矩永磁同步电机配合大传动比谐波减速器的驱动传动系统;鉴于系统操作的柔顺性要求,设计了一种基于电阻应变原理的关节力矩传感器,并通过有限元分析和标定实验对其设计指标进行了验证;为了获得精确的关节位置信息,对旋转变压器和光电编码器的信息融合算法进行了研究与应用;设计了关节的承载零部件和仿人型臂杆,并通过静力学分析对其强度、刚度等指标进行了验证;为了达到关节的装配要求,安排了关节阻力矩测试实验。其次,建立了在轨维修臂系统的数学模型,并对关键动力学参数进行了辨识。针对逆运动学规划中的雅克比奇异问题,进行奇异分析并制定了避奇异策略;对Paul四次多项式规划算法进行了改进,解决了规划轨迹不经过期望路径点的问题;考虑到关节中存在柔性,利用机械冲击法进行了刚度辨识;对Lu Gre摩擦模型进行了研究,并通过一种简化的线性模型得到了与之近似的摩擦辨识结果;基于关节速度与控制输入量的关系,进行了一阶系统的阶跃响应分析;利用上述辨识结果直接完成了电机力矩系数的辨识,避免了复杂的实验过程。然后,研究了适用于在轨维修任务的位置控制算法,并对其进行了仿真和实验的验证。针对连续时变轨迹的跟踪要求,建立了计算力矩控制策略,并通过Simulink对该算法进行了仿真;为了验证位置控制下的轨迹跟踪效果,进行了正弦轨迹的跟踪实验;采用API激光跟踪仪测试了系统的重复定位精度,结果满足设计指标。最后,研究了满足柔顺性操作要求的笛卡尔阻抗控制算法,并通过实验验证了算法的有效性和在轨维修任务的可行性。建立了基于关节力矩传感器的笛卡尔阻抗控制策略,基于电机端的位置实现了在线重力补偿,并给出了系统的稳定性证明;通过正弦轨迹跟踪实验验证了阻抗控制下的轨迹跟踪性能,结果表明笛卡尔位置误差与轨迹规划速度相关;基于旋拧电连接器、旋拧螺钉和握手等操作任务,分别验证了系统在阻抗控制、定向阻抗控制和零力控制等三种控制模式下的工作性能;为了保证机械臂操作的安全性,安排了同刚性环境的动态碰撞实验,结果表明,系统可以稳定地实现自由空间运动状态与刚性环境的切换,这对系统本身和操作对象均起到了保护作用。