中文摘要：

随着空间探索的不断深入，利用太空机械臂进行大型结构组装与更换具有重要意义。目前由于缺乏太空机械臂操作大负载空间结构的系统研究，使得太空机械臂的在轨应用受到极大限制。本课题针对太空机械臂大负载轨迹优化问题，研究大负载情况下太空机械臂的动力学特性，以负载最大化为目标进行太空机械臂轨迹优化，并针对负载模型未知的情况，进行多约束条件下太空机械臂轨迹规划研究。本课题将以空间算子代数和多体动力学为理论基础，着重分析太空机械臂负载能力的影响因素，建立机械臂关节力矩和航天器基座与负载能力的约束方程；综合考虑臂杆柔性与关节最大驱动能力，分别采用粒子群算法和间接优化控制算法针对点到点任务和轨迹跟踪任务开展空间机械臂负载最大化的轨迹优化研究；针对负载模型的不确定性，采用摄动量轨迹优化算法解决太空机械臂多约束条件下的轨迹规划问题；并开展微重力环境下的相关实验研究。研究成果对于解决机械臂操作大负载问题具有普遍性。

结论摘要：

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。太空机械臂作为空间站构建和维护的重要工具，利用其进行大型结构组装与更换具有重要意义。本课题面向太空机械臂大型结构转移等操作任务，针对太空机械臂轨迹优化问题开展研究工作，取得了如下研究成果给出了负载能力的关键影响因素，提出了太空机械臂动态负载能力评估算法；面向点到点和轨迹跟踪两类任务，分别提出了能够应用于实际系统的太空机械臂负载最大化轨迹优化算法；提出了能够应用于负载未知情况下且满足太空机械臂运行约束条件的轨迹规划算法；建立了一套能够模拟太空机械臂大负载在轨操作任务的地面实验平台。通过上述研究工作的开展，课题组在太空机械臂负载能力分析方法、大负载情况下轨迹优化方法以及大负载空间机械臂地面实验验证方法等方面取得了突破，形成了较为系统的理论体系。研究成果对于解决太空机械臂操作大负载问题具有普遍性，同时能够为我国太空机械臂在轨应用提供的理论铺垫和技术支撑。此外，在本项目资助下，课题组在国内外期刊上共计发表学术论文20篇，其中包括SCI检索10篇和EI检索10篇；申请相关研究的发明专利4项，其中1项已授权，3项已公开；培养了副教授2名，博士研究生3名，硕士研究生4名，优秀硕士学位论文1篇。