本项目以设计在轨工作寿命不少于10年的长寿命空间机械臂为应用背景，以机械臂核心单机-关节（机械臂运动的动力源）为研究目标，从传感系统优化配置、在轨可重构容错控制系统设计、在线故障检测与容差控制策略等3个方面开展了系统性的研究工作。在对空间机械臂关节进行了详细的失效模式与影响分析（FMEA）基础上，以双星型绕组表面式永磁同步电机为动力源，以双绕组旋转变压器、双全桥力矩传感器等核心传感系统，以现场可编程门阵列（FPGA）为核心处理器，完成了空间机械臂关节可重构容错控制系统的优化设计。相对于传统双控制器-冷备份控制结构和单控制器-热备份控制结构，在元件可靠性相同的条件下，可靠性分别增加约3.9%和10.6%。通过设计具有掉电自动隔离能力的接口电路，实现了主份和备份子控制系统间既能同时上电协同工作，又能单独上电相互隔离，协同工作时数据交互频率不小于20KHz，满足双电流闭环控制要求，实验数据表明在热备控制模式下两套绕组中的电流能够很好地保持一致。提出了基于幅值追踪的电机相电流幅值估计方法，利用估计得到的冗余相电流幅值信息设计了电流传感器在线故障检测方法和容错控制策略，实现了零点偏移、增益变化、信号丢失等多种故障模式的在线检测和容错，实验结果表明该方法不但对于速度波动和电流幅值波动具有较好的鲁棒性，还能够实现两个同时出现的信号丢失故障的容错控制。基于冗余的电机位置和关节位置信息，实现了位置传感器故障的在线检测。基于电机位置、关节位置、关节刚度和电机电流信息，设计了关节力矩传感器的故障检测方法，再进一步结合关节力矩传感器信息，设计了基于能量和传动效率的关节健康状态评价机制。搭建了机械臂关节综合性能试验平台，验证了所提方法的正确性、实用性和可行性。这项研究对于提高空间机械臂关节的在轨使用寿命，保障安全运行具有重要的作用。