利用空间机器人代替宇航员进行太空作业,不仅可以使宇航员避免在恶劣太空环境中作业时可能受到的伤害,还可以降低成本、提高空间探索活动的效率。由于空间工作环境非结构化及工作任务多变的特点,同时受计算机、控制、人工智能和机构等关键支撑技术发展水平的制约,目前研制出在空间环境下完全自主工作的机器人还很难实现。因此,切实可行的方法是充分利用人的智能进行高层任务规划,采用地面遥操作空间机器人的方式完成空间作业。本文针对卫星在轨维护任务,建立了卫星自维护的地面遥操作演示平台,对基于虚拟现实和局部自主的空间机器人遥操作进行了研究。本文建立了一套卫星在轨自维护的地面遥操作演示系统。利用人为增加时延的方法,位于武汉的操作者通过Internet遥操作位于哈尔滨的机器人完成卫星维护任务,模拟了地面遥操作空间机器人的大时延情况,并利用虚拟现实技术实现了三维图形预测显示,有效地克服了大时延对遥操作的影响。利用反馈的机器人实际位置和视觉识别操作对象结果,在虚拟环境下重新构建了虚拟的实际机器人和操作对象场景,有效地克服了低带宽对流畅视频传输的限制,使操作者直观形象地感知远端实际状态。在遥操作的主操作端,遥操作的操作安全性与操作性能之间是互斥的。手动操作的操作性能差但处理异常能力(安全性)强,离线任务规划的操作性能好但处理异常能力差。本文提出了在主端利用柔性虚拟夹具方法辅助遥操作,通过柔性系数调节机器人倾向于理想运动方向的程度,有效地将离线任务规划与操作者手动控制结合起来,在遥操作的安全性与操作性能之间进行折衷,保证了遥操作的操作精度与异常处理能力。并在此基础上,将虚拟力反馈、颜色识别及虚拟厚度方法融合到柔性虚拟夹具中,进一步提高了操作性能。在遥操作的从机器人端,实现了基于关节位置、关节力矩、腕力传感器和视觉的多传感器机器人局部自主功能,提高了机器人的智能水平。在自由运动阶段,采用基于视觉的机器人最优接近速度控制。在约束运动阶段,针对空间机器人经常与高刚度环境接触情况,基于力外环思想,本文提出了基于阻抗内环的力跟踪方法,对比实验证明该方法保证了机器人与高刚度环境接触时较好的力控制性能。基于虚拟现实遥操作的前提是虚拟模型与实际场景的一致性。然而,受空间环境变化及传感器测量误差等影响,虚拟模型与实际场景之间存在着不可避免的模型误差。本文将模型修正法与机器人的控制方法结合起来,一方面在遥操作主端利用反馈的机器人实际位置和视觉识别结果分别对虚拟机器人和虚拟操作对象的位姿进行修正,尽可能地减小虚拟模型与实际场景的差别;另一方面,对于仍残存的模型误差,在从机器人端采用对模型误差具有一定的鲁棒性的阻抗控制、混合阻抗控制方法,进一步消除残存的模型误差。实验证明了该方法能够消除模型误差对遥操作的影响。在本文的最后,对于结构化空间环境,采用基于虚拟现实的遥操作方式克服了约14秒的大通讯时延对遥操作的影响,顺利地完成了打开卫星天线的卫星维护任务。对于存在误差的非结构化空间环境,分别进行了打开卫星太阳能帆板和擦拭卫星镜头的两个典型卫星维护遥操作实验,克服了模型误差对遥操作的影响,验证了本文提出的空间机器人遥操作方法的正确性和有效性。