由于宇航员难以在危险复杂的太空环境下持续作业,开发空间机器人协助人类开拓太空已是必然之势。因为本文的研究对象是基座位姿不受控的自由漂浮空间机械臂,机械臂运动会导致基座位姿产生扰动,而基座位姿的改变会影响机械臂的控制过程。因此本文研究一种面向自由漂浮空间机械臂的轨迹规划算法,用以实现使基座姿态扰动最小的优化目标。为了验证算法对于真实空间机械臂的应用有效性,搭建一套可以模拟空间机械臂三维运动的地面半物理仿真系统,并对所提算法进行实际验证。首先,介绍了各国的空间机器人项目,分析了空间机器人的轨迹规划算法,探讨了空间机器人的运动学及动力学建模方法。然后介绍并比较了基于不同原理搭建的地面实验系统,选择基于半物理仿真形式搭建地面验证系统。然后,推导了自由漂浮空间机械臂的微分运动学,并基于实际机械臂仿真验证了运动学方程。然后研究了基于铰接体算法的正向动力学,搭建虚拟样机模型并进行与模块化软件的对比仿真,证明了动力学模型的正确性。之后,针对空间机械臂运动中可能出现的关节速度超限问题,研究了基于零空间速度饱和的运动学优化算法,当有关节超出速度约束时,利用冗余机械臂的零空间对超限关节进行优化,当零空间不能补偿所有超限关节时,执行全局速度缩放。在算法基础上研究了将笛卡尔空间约束映射到关节空间的问题。对比仿真结果表明了在关节速度约束条件下,采用该算法能够准确且高效地完成任务。再者,针对基座姿态扰动会对机械臂控制造成影响的问题,考虑通过规划末端笛卡尔轨迹来实现基座姿态扰动最小。采用贝塞尔曲线对笛卡尔轨迹实现参数化,设定基于约束修正的优化目标函数,提出了基于自然选择的双重自适应排序粒子群算法,通过该改进算法求解得到了满足基座姿态扰动最小的笛卡尔轨迹,仿真结果证明了所提轨迹优化算法的有效性。最后,基于半物理仿真思想搭建了模拟空间机械臂三维运动的地面实验系统,利用该系统进行了轨迹优化算法和零空间速度饱和运动学的相关验证,结果表明了两项算法在真实空间机械臂系统中的优化有效性。