近年来各国发射的卫星数量逐年递增,而空间事故又产生了许多失效卫星和空间碎片,地球附近的轨道资源越来越紧张。为了太空活动的可持续发展,世界各国开始大力发展在轨服务技术。而面向非合作航天器的自主捕获技术是在轨服务的前提和关键。本文针对在轨服务中的非合作目标捕获技术进行了研究,设计了一种“结构简单、连接刚度大、约束力强、捕获时间短、容差大”特点的非合作航天器捕获机构,并结合地面试验验证了设计的有效性。首先,参考自旋航天器的运动形式对目标航天器运动状态进行了分析;选择星箭对接环作为捕获位置并对初始条件进行分析,提出了技术要求;根据技术要求,设计双指式结构,通过包络捕获的方式来捕获目标,进行总体方案研究并设计了捕获流程;进行了捕获机构的详细结构设计,包括捕获手指,驱动、传动机构,锁紧机构,感知系统及支撑结构等组成部分;利用有限元分析软件对主要部件进行了校核。其次,对捕获机构进行运动学和动力学分析。通过建立捕获手指的数学模型,分析其运动形式,并利用D-H方法计算手指的包络空间;分析电机输入力矩与手指末端约束力的关系,明确捕获手指末端在不同位置时的约束力大小;进行捕获机构的动力学分析,建立捕获过程中机构运动学参数与受力的关系;对捕获机构容差进行分析,明确不同位姿偏差对包络尺寸的影响;对捕获机构的闭合时间和锁紧时间进行理论计算,验证结构设计的有效性。然后,对捕获机构进行仿真分析。通过对Adams仿真结果和理论计算结果进行比较,验证了结构设计和运动学模型的正确性;通过MATLAB与Adams联合控制对捕获过程进行了仿真,分别分析了理想状态和极限状态的捕获过程,仿真结果证明捕获机构能顺利完成捕获操作且结构设计满足捕获时间和捕获容差要求。最后,进行样机性能测试和综合捕获试验研究。装配前测试了关键部件的性能,保证后续试验的顺利进行;搭建测试平台,对捕获机构样机的性能进行了详细测试,测试结果显示样机各方面性能均满足设计指标要求;搭建捕获试验平台,将样机装载在Kuka机械臂末端,利用气浮平台进行了三维空间模拟捕获试验,试验证明本文所研制的捕获机构可稳定的完成捕获和释放操作,满足捕获任务要求。