近年来随着我国航天事业的不断发展,载人航天工程已全面转入空间站阶段,太空作业需求也变得越来越复杂。在空间站的构建和维护过程中,需要完成针对空间大型结构的在轨操作任务,如舱体组装、悬停飞行器辅助对接、舱外货物搬运以及大型设备安装等。由于这些任务的操作对象均是大质量和大惯量的漂浮目标,增加了在轨操作的难度。利用空间机械臂协助或替代宇航员完成这类在轨操作,一方面可以确保良好的操作精度,另一方面能够显著提升在轨应用的经济效益和安全性。这表明,利用空间机械臂完成大负载在轨操作任务具有广泛的应用前景。为了确保大负载在轨操作任务的顺利执行,需要合理地衡量空间机械臂负载能力,并在此基础上开展面向该类任务的轨迹优化研究,这对于提升空间机械臂的在轨服务能力具有十分重要的科学意义和理论价值。本论文的研究内容来源于国家自然科学基金项目“面向大负载在轨操作任务的太空机械臂轨迹优化研究”,以自由漂浮空间机械臂为研究对象,重点针对空间机械臂负载能力分析方法和大负载工况下的轨迹优化方法开展深入研究。本文的主要工作如下:1.空间机械臂负载能力分析。首先基于空间算子代数理论建立自由漂浮空间机械臂动力学模型,着重分析负载操作能力关键影响因素。在此基础上,面向关节空间点到点和笛卡尔空间轨迹跟踪两类典型的大负载操作任务,分别提出一套空间机械臂动态负载能力的评估算法。针对轨迹跟踪任务,提出一种基于牛顿-拉夫逊迭代和粒子群优化的负载最大化初始构型规划方法,通过优化初始构型能够提升空间机械臂最大负载能力。2.面向大负载点到点任务的空间机械臂轨迹优化方法研究。综合分析大负载操作和点到点任务需求,将轨迹优化问题转化为在满足多约束条件的前提下实现关节力矩、基座扰动和系统能量同时最小的多目标最优化问题;采用正弦七次多项式插值关节轨迹,将多项式系数作为决策向量;针对关节空间点到点任务,提出基于MOPSO (多目标粒子群优化)的轨迹优化算法,并在算法中根据约束方程对非支配解进行筛选,仿真实例验证了该方法相比较传统的梯形规划,能够有效提升空间机械臂最大负载能力;在此基础上,针对笛卡尔空间点到点任务,提出采用两阶段法完成最优轨迹的求解,仿真实例验证了该方法与传统的直线规划方法相比,能够使得关节力矩、基座扰动和系统能量同时得到优化。3.面向大负载轨迹跟踪任务的空间机械臂轨迹优化方法研究。首先将空间机械臂动力学方程在状态空间进行描述,继而综合考虑负载能力优化和轨迹跟踪要求,设计包含末端位姿跟踪误差惩罚项、关节力矩/能量优化项以及基座角速度抑制项的性能指标,最终建立轨迹优化问题的最优控制数学模型;在此基础上,推导状态依赖拉黎卡提方程(SDRE),采用泰勒级数展开方法实现了最优控制律的求解,进而提出了基于SDRE控制的轨迹优化算法;通过仿真实例结果验证了该算法在满足机械臂末端位姿跟踪误差约束的前提下,能够有效提升空间机械臂负载能力。4.负载参数未确知的空间机械臂轨迹优化方法研究。首先,采用多项式混沌方法对负载参数未确知情况下空间机械臂动力学特性进行了评估,通过与蒙特卡洛方法的对比验证了评估方法的可靠性和高效性;在此基础上,结合多项式混沌评估和多目标轨迹优化方法,提出了负载参数在一定范围内变化时具有鲁棒性的最优参考轨迹求解方法;进而针对最优参考轨迹仍无法满足大负载操作任务需求的情况,设计了引入时间放大因子的轨迹调整策略,并通过安全系数的引入避免了评估计算误差可能导致的问题;通过仿真实例验证了所提轨迹优化算法的有效性。5.大负载空间机械臂轨迹优化算法实验研究。介绍了由基座模拟分系统、机械臂分系统、负载模拟系统以及相关测量设备组成的地面实验平台,阐述了各分系统的设计方案和工作原理;设计了空间机械臂点到点和轨迹跟踪两类典型的地面实验方案,在实物平台上开展了轨迹优化算法的实验验证,实验结果验证了轨迹优化算法的可行性和有效性。