未来大型空间望远镜在轨组装技术的需求日益增加,空间望远镜的主镜接口设计、机械臂组装研究是实现超大口径空间望远镜观测技术的关键。对此,本文详细地设计了空间望远镜主镜接口结构及关键参数,优化了接口锁紧机构的从动件运动规律,针对大型空间望远镜在轨组装关键问题提出了一种新式的基于关节力矩最小化的空间机械臂轨迹规划方法,并针对提出的主镜接口结构和关节力矩优化方法进行了仿真与地面实验研究。首先,对大型空间望远镜的主镜接口进行了总体结构设计。主要设计了一种基于圆柱凸轮机构的对接接口锁紧机构,对机构的关键零件进行设计、校核;确定圆柱凸轮锁紧机构耦合运动的摩擦自锁边界条件;同时进行望远镜模块对接锁紧过程的容差分析;并利用ANSYS对机构的承载能力进行分析及校核。其次,针对目前的圆柱凸轮锁紧机构从动件的运动加速度过大,不适合直接用于空间望远镜的锁紧机构的问题,利用统一函数法对圆柱凸轮锁紧锁紧机构的曲线槽进行了设计及优化。推导了带有参数的正弦等速组合运动规律和余弦等速组合运动规律方程;对比分析了两种方案的从动件运动特性,最终确定了基于改进余弦等速运动规律的曲线槽设计方案;并利用ADAMS通过分析及仿真验证了本文提出的基于改进余弦等速运动规律设计的圆柱凸轮锁紧机构方案的优越性。接下来,针对大型空间望远镜在轨组装技术研究的机械臂末端执行器的外载荷问题,基于二次规划的思想提出了一种关节力矩优化的轨迹规划方法。利用改进D-H参数法描述了7自由度空间机械臂的正运动学方程;并求解了机械臂的工作空间和动力学问题;最终利用关节力矩优化方法实现了机械臂笛卡尔空间的轨迹规划,能够将关节位置级别的轨迹规划转化为关节加速度级别的轨迹规划;并通过ADAMS与Simulink联合仿真验证了本文提出的基于关节力矩最小化的轨迹规划方法的正确性与可行性。最后,搭建了大型空间望远镜地面模拟组装的实验平台。利用空间机械臂进行了望远镜主镜的地面模拟组装实验,通过实验对望远镜主镜接口对接锁紧功能以及机械臂基于关节力矩最小化的轨迹规划方法进行了验证。