随着空间探索的不断深入,人们对空间机械臂精度的要求也越来越高,铰间间隙引起的空间机构动力学非线性特性逐渐成为关注焦点。众所周知,所有航天机构在空间微重力环境下进行在轨服役,但是是在地面重力环境设计和调试的。空间机构由地面到空间,由于间隙的存在使机构动力学模型和运动学模型发生了变化从而导致地面模拟调试好的控制器在空间难以达到期望的控制精度。本文以含铰间间隙的二自由度空间机械臂为研究对象,考虑不同重力环境,通过建立含铰间间隙机构动力学模型,设计间隙补偿控制器,在不同重力环境下都能够使空间机械臂达到理想的轨迹跟踪精度。主要内容如下:首先,分析了不同重力环境下影响间隙形成的主要因素。采用无质量轻杆等效铰间间隙模型,通过分析动力学特性,建立了不同重力环境下含铰间间隙的空间机械臂动力学模型,进行铰间间隙与重力对末端轨迹跟踪控制精度耦合影响的仿真研究。在此基础上,针对间隙等效模型造成的模型不确定性及干扰,设计间隙补偿控制器,并通过仿真验证了间隙补偿控制器的有效性。其次,通过分析不同重力环境下含间隙机构的关节间隙运动特性,采用弹簧阻尼元件等效铰间间隙模型,建立了地面装调及空间服役两种不同工况下的近似间隙等效模型。以二自由度空间机械臂为例,利用牛顿欧拉法推导了重力及重力释放条件下的含间隙动力学解析解,并分离了间隙补偿项。在此基础上,通过轨迹跟踪控制仿真,探究了含间隙机械臂受重力影响的动力学行为差异,同时验证了间隙补偿控制器的有效性。再次,利用动量矩定理研究了在地面装调和空间应用两个阶段的含铰间间隙机构动力学模型。并针对重力环境和铰间间隙的改变导致的地面调试好的控制系统在空间应用时无法达到控制精度这一问题,设计了不依赖控制对象模型的自抗扰控制算法。该算法将机构中重力和铰间间隙的变化作为系统中的干扰,通过利用扩张状态观测器对其进行估计,经过非线性反馈控制进行补偿,提高系统控制精度。