目前空间站运行中的绝大部分维护与操作依赖航天员。每次出舱任务,都是以航天员健康和生命安全风险为代价,并且经济、时间、人力成本巨大。在按照航天员人体工效学设计的空间站环境中,用机器人宇航员辅助作业能够提高效率,甚至替代航天员,有重大意义。本文结合国防基础科研和921载人航天项目,基于航天员通过攀爬运动到目标区域进行空间作业模式,针对机器人宇航员在空间站舱外攀爬运动与柔顺装配作业需求,重点分析其空间微重力环境下的动力学模型和控制需求的特殊性,开展机器人宇航员漂浮基动力学建模、攀爬运动控制、力柔顺装配方法等研究。主要研究内容和成果如下:第一,在微重力环境下,机器人的运动状态对干扰力与大范围的惯量变化非常敏感,对机器人的快速稳定控制带来新的挑战。本文提出一种改进的空间向量法,建立了机器人宇航员的漂浮基动力学模型,从而降低计算量(相对于空间向量法减小约30%),使其能够满足基于嵌入式系统的实时控制需求,为机器人的快速稳定运动控制提供基础。第二,为了解决机器人宇航员舱外攀爬运动状态对干扰力与惯量变化敏感问题,针对关节控制提出一种综合系统动力学、末端接触力和关节电机组件模型的前馈方法,以提高关节力矩响应速度。同时,基于动力学模型对攀爬运动过程中的加速度进行优化,并提出一种安全避碰攀爬运动策略,以保证机器人宇航员攀爬运动稳定性与安全性。第三,针对空间站舱外载荷固定用多组销孔机构的力柔顺对接问题,在分析该机构对接过程中的特殊力学特性的基础上,扩展经典阻抗控制方法中的弹簧项,提出一种基于遗忘因子函数的改进阻抗控制方法,对阻抗控制器中的虚拟弹簧位置进行自适应实时调节,有效降低对接过程中的振动与接触力,从而解决随机误差导致的阻抗力对空间对接过程的稳定性影响问题,进而实现该机构的稳定对接。最后,基于机器人宇航员原理样机,建立机器人实验平台,及相应的仿真系统,并通过仿真和实验结果验证本文提出的针对机器人宇航员移动与操作技术的研究内容和方法的可行性与有效性。