机器人技术的发展推动了机械臂在航天领域的应用，同时在轨服务等航天活动的日益增多也客观上对空间机械臂的应用提出了更多的要求。对空间机械臂而言，当捕获或抓取非合作目标时，其整个系统的运动学和动力学都会发生变化。为此，本文对空间机械臂建模及鲁棒控制问题进行研究，具体内容如下。首先采用广义雅可比矩阵和拉格朗日方程建立了空间机械臂的运动学和动力学模型，阐述了虚拟机械臂和动力学等价机械臂的建模思想。并在此基础上深入分析了其运动学和动力学特性，同时针对自由漂浮工作模式下空间机械臂的姿态干扰特性和非完整特性进行了仿真说明。针对存在系统不确定性和外界干扰的空间机械臂轨迹跟踪鲁棒控制问题，本文首先考虑自由飞行工作模式下的空间机械臂，利用模型的可线性化特点，设计逆雅可比自适应控制律，实现闭环系统轨迹跟踪误差渐近稳定控制，同时保证位置和速率跟踪误差2范数低于预设值，并应用耗散不等式证明闭环系统对外部干扰具有2小增益抑制能力。而后考虑自由漂浮工作模式下空间机械臂模型的不可线性化特点，采用神经网络学习算法来逼近模型中的非线性不确定项，设计时变增益滤波器和反步控制律，保证闭环系统轨迹跟踪误差渐近稳定和对外部干扰具有2小增益抑制能力。考虑所设计的逆雅可比鲁棒控制器可能存在奇异问题，提出基于控制的规避方法。首先分析自由飞行和自由漂浮模式下的机械臂关节空间奇异与非奇异构型，然后将其映射至机械臂任务空间，获得任务空间内奇异与非奇异子空间，如此若可保证在系统不确定性和外界干扰下闭环系统渐进跟踪参考轨迹的同时，末端执行器始终位于非奇异子空间内，则可有效规避雅可比运动学奇异现象。为此本文提出了一种基于控制变换的方法来解决此问题，通过设计非线性时变坐标变换，将对跟踪误差变量时域响应要求转化为对变换后误差向量的稳定性要求，并通过设计反步自适应控制律来使变换后误差向量满足最终一致有界稳定，这样通过反变换得到控制律就可保证原闭环系统运动时控制误差变量满足预设的性能约束，从而满足雅可比运动学奇异规避的要求。最后采用本文中的建模方法，建立平面两关节机械臂模型对上述设计的控制律进行仿真验证。仿真结果表明，本文所设计的三种控制方案可有效处理模型不确定性、外界干扰以及雅可比运动学奇异问题。