随着人类太空活动的深入,不断增多的轨道垃圾给在轨卫星的正常运行带来潜在危险。为了实现对上述空间目标的捕获及操控,双臂空间机器人作为一种有效手段受到了广泛关注。然而由于基座与机械臂之间存在多重动力学耦合,双臂空间机器人在动力学建模与耦合分析、轨迹规划与控制等方面仍存在较大困难,为其实际应用带来了挑战。基于此,本文研究了双臂空间机器人系统的等效建模方法,并进一步提出了基于等效模型的协调轨迹规划方法、能量最优的轨迹优化方法以及协调柔顺控制方法。为了简化机械臂与基座之间的动力学耦合,提出了双臂空间机器人系统的等效建模方法。首先以双臂之间的相对运动为研究对象,推导广义相对雅可比矩阵,实现了双臂之间相对运动速度到机械臂各个关节角速度的映射,并将其推广至适用于多臂空间机器人与多臂地面机器人的通用形式。为了简化双臂空间机器人基座与机械臂之间的多重动力学耦合关系,建立了等效动力学模型。定义其中一个机械臂的末端为虚拟基座,其余部分则等效为一个超冗余虚拟机械臂,进而将双臂空间机器人简化为超冗余单臂空间机器人。基于所建立的双臂空间机器人的等效模型,提出了多优先级双臂协调轨迹规划和虚拟基座无反作用运动规划方法。结合广义相对雅可比矩阵与零空间投影矩阵,可以在主臂的任务零空间实现双臂之间的相对运动规划,以同时保证双臂末端在惯性空间的期望运动轨迹。此外,基于虚拟基座建模方法,分析等效后超冗余单臂空间机器人的任务自由度冗余,推导了增广广义雅可比矩阵和零空间投影广义雅可比矩阵;可以在规划惯性空间双臂末端期望运动轨迹的同时,实现对冗余自由度的规划控制。为了节约空间机器人宝贵的燃料资源,提出了能量最优的双臂协调轨迹优化方法。根据双臂与目标之间不同的动力学约束关系,将整个捕获过程分解为接触前阶段与接触后阶段。对于接触前阶段,采用臂型角构型表示方法,通过粒子群优化算法得到捕获过程中基座扰动最小的臂型角轨迹;结合臂型角雅可比与虚拟基座建模及控制方法,实现双臂空间机器人的构型优化。对于接触后阶段,假定双臂末端与目标形成稳定固连,考虑双臂与目标之间的运动学、动力学闭链约束;基于目标的动力学方程,采用非线性优化方法,得到基座扰动最小、捕获时间最短的双臂协调操作轨迹。针对机械臂末端与空间目标接触过程中容易产生过碰撞而导致的安全性问题,提出了阻抗参数在线辨识的双臂协调柔顺控制方法。根据双臂协调操作时的相对关系,推导了双臂之间的相对运动以及相对操作力方程。同时建立双臂之间的等效阻抗模型,通过控制双臂之间的相对操作力,实现对各个机械臂末端操作力的控制。考虑到传统柔顺控制中阻抗参数需要实验测试、人为给定,在未知环境下操作存在一定的危险和困难。因此设计优化目标函数为期望相对操作力跟踪误差的二范数,通过二次规划实时生成最优阻抗控制参数,仿真结果证明了该方法的正确性和有效性。为了验证本文提出的建模以及规划方法,搭建了双臂空间机器人捕获非合作目标的地面实验系统,由一套双臂机器人和一套目标运动模拟器组成。其中双臂机器人基于动力学模型和运动学等效原理模拟双臂空间机器人的捕获运动;目标运动模拟器通过一个七自由度冗余机械臂携带一个目标模型,模拟空间目标的运动以及双臂空间机器人基座扰动等效的相对运动。基于此地面实验系统,开展了双臂空间机器人捕获非合作目标的实验,结果验证了本文提出的等效建模、轨迹优化以及等效实验方法的正确性。