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随着人类太空探索的不断深入,空间操作任务日益频繁,任务难度逐渐加大。空间机械臂作为典型的在轨操作工具,具有跨度大、操作灵活等突出优点,可以在很大程度上替代或辅助航天员完成一系列复杂繁重的空间操作任务。但是,维修航天器、实施太空救援等任务,仍需要航天员出舱完成空间作业。考虑到太空环境具有强辐射、高温差等特点,航天员舱外作业存在很大的风险。当航天员在舱外作业出现异常事件时,必须保证航天员能够在固定时间内紧急返回出舱口,以保障航天员生命安全。因此,开展空间机械臂辅助航天员应急返回技术研究,以提升在轨服务能力,具有重要的工程价值。本文围绕空间机械臂辅助航天员应急返回技术开展深入研究,设计空间机械臂辅助航天员应急返回策略,实现任意构型的空间机械臂营救航天员到出舱口任务。本文的主要工作如下:首先,完成空间机械臂辅助航天员应急返回仿真平台设计。通过对仿真平台进行功能需求分析,完成总体结构方案的设计;采用三维扫描算法获取工作区域表面散点,并对散点进行归类处理,在此基础上实现工作区域划分,完成对航天员工作区域预处理操作;结合蒙特卡洛法和碰撞检测算法,求解空间机械臂无碰撞工作空间,完成对空间机械臂工作空间预处理操作。其次,完成空间机械臂辅助规划的构型网络建立。基于空间机械臂工作空间,完成空间机械臂的区域构型集的挑选;依据空间机械臂无碰撞工作空间,完成空间机械臂的安全构型集的挑选;以距离和关节行程为优化指标,完成最优的空间机械臂匹配构型集的挑选;考虑航天员工作区域划分,完成空间机械臂中间构型集的挑选,为空间机械臂辅助航天员应急返回策略的设计奠定基础。然后,完成空间机械臂辅助航天员应急返回策略的设计。在完成空间机械臂辅助航天员应急返回的营救条件分析基础上,针对航天员和空间机械臂的不同工作状态,设计相应的应急返回策略,保证航天员处于任意位置、空间机械臂处于任意构型时,空间机械臂均能及时营救航天员安全回到出舱口;通过数值仿真,对比分析应急返回的期望轨迹与实际运行轨迹,验证算法的正确性。最后,开展空间机械臂辅助航天员应急返回实验研究。基于VC++和OpenGL仿真技术,搭建空间机械臂辅助航天员应急返回的三维可视化仿真软件;在此基础上,针对具体营救任务开展三维仿真实验,验证所提出算法的正确性和可行性。