空间机器人能够完成太空垃圾清理、航天器维修、燃料补充、物资运输等任务,因此各国都在研究空间机器人的在轨服务技术。当空间机器人处于自由漂浮工作模式时,系统存在广义雅可比矩阵不可逆的情况,并且航天器本体（基座）的姿态随着机械臂的运动而改变,这些将为轨迹规划和跟踪控制带来一定的挑战。因此,本文以自由漂浮模式的6自由度空间机器人为研究对象,考虑动力学奇异、基座姿态扰动等因素,对笛卡尔路径规划、关节空间的跟踪控制、任务空间的跟踪控制问题进行了深入的研究。主要内容包括:针对空间机器人的笛卡尔轨迹规划问题,考虑动力学奇异、基座姿态扰动、运动时间、关节角限制等因素,提出两种方法:基于组合函数的轨迹规划方法、阻尼最小方差法和反馈补偿相结合的轨迹规划方法。针对动力学奇异问题,前者提出一种判断轨迹是否发生动力学奇异的方法,并据此得到了规划的轨迹不会遇到动力学奇异的条件。后者利用阻尼最小方差法处理动力学奇异,再通过反馈补偿项逐渐减小阻尼最小方差法引入的轨迹偏差。针对关节角速度的限制,将轨迹进行归一化处理,通过调整运动时间来满足相应的约束。将基座姿态扰动和运动时间作为子目标函数,采用惩罚函数法处理对关节角的限制,前者将轨迹规划问题转化为混合整数规划问题,而后者则转化为普通的优化问题。最后,基于混沌粒子群优化算法求解相应的轨迹。经过仿真分析,在处理动力学奇异、减小基座姿态扰动及运动时间方面,所提出的两种轨迹规划算法均是有效的。针对关节空间内的空间机器人跟踪控制问题,考虑基座姿态扰动、外部干扰、输入受限等因素,提出基于LPV系统的离线模型预测控制。首先,根据空间机器人的动力学方程,建立了相应的仿射参数依赖的LPV模型。为了减小时变参数的个数、减轻控制器求解的计算量,基于一种参数集映射的方法简化了原LPV模型。针对简化的LPV系统,提出了离线模型预测控制。为了减小航天器本体姿态受到的影响,构建模型预测控制的目标函数时,除了与系统稳定性和能量消耗相关项外,还增加了基座角速度相关项。在设置约束时,考虑了外部干扰和输入受限等问题。此外,为了解决模型预测控制在线计算引起的时延问题,引入了一种离线算法。经过仿真分析,在减小基座姿态扰动及能量消耗、改善控制精度方面,所提出的控制方法是有效的。针对任务空间内的空间机器人跟踪控制问题,考虑动力学奇异、关节角速度未知、外部干扰等因素,提出基于观测器的有限/固定时间位姿控制方法。为了同时提供关节角速度和总干扰信息,设计有限/固定时间扩张状态观测器。在设计有限时间观测器时,增加了线性项,可以保证观测器误差离平衡点较远时,也可以快速收敛到平衡点附近。基于齐次性理论,设计固定时间观测器。基于反步法和幂函数积分,提出有限/固定时间位姿控制器。不同于有限时间稳定系统,固定时间稳定系统收敛时间的上界是正常数,即与系统初始状态无关。针对动力学奇异的情况,首先利用奇异条件分离与阻尼倒数相结合的方法获得原控制器相对应的近似关节角加速度,然后将关节角加速度代入到动力学方程中,得到近似控制输入。经过仿真分析,在关节角速度未知、存在动力学奇异和外部干扰的情况下,两种方法均能实现控制目标。但在收敛时间方面,基于固定时间理论的观测器和控制器更有优势。