随着太空探索的发展，空间机械臂研究和应用日益增多，在空间站建立、维护、卫星回收等方面发挥着重要作用。为保证机械臂在轨服务的可靠性，需要在地面模拟太空微重力环境，进行相关试验测试。为此，本文结合空间机械臂地面试验的要求，对机械臂微重力模拟系统进行了研究，分析了系统误差，并开展实验验证了误差分析理论和微重力模拟效果。综合各种微重力模拟方法的优缺点，根据地面试验要求拟定了机械臂微重力模拟系统方案，采用气浮法和静平衡法补偿机械臂重力。为验证系统方案的可行性，建立了系统动力学模型，通过仿真分析了微重力模拟效果。此外，本文拟定了系统安全保护机构方案，建立了保护机构的数学模型，并通过Simulink仿真分析了保护机构的性能参数。依据拟定的微重力模拟方案，完成了系统结构设计，并通过有限元分析校核了系统中薄弱元件的强度。系统由肘部、腕部和肩部三部分重力补偿机构组成，实现了机械臂的微重力模拟。同时，为保障系统精度和安全性，本文设计了重力补偿机构的安装、调节方法，对机构受力情况进行了分析，并设计了系统安全保护机构。为提高系统精度，本文对影响系统微重力模拟的因素进行了研究分析，提出了补偿误差的方法。微重力模拟系统中，弹簧刚度误差、弹簧机构重力、滑轮半径、机械臂质量偏心等因素都会对微重力模拟产生影响，为此，本文通过理论研究，对上述因素产生的影响进行了详细分析，得到了各因素引起的误差大小，针对相应因素提出了补偿误差的方法，提高了微重力模拟精度。此外，本文分析了机械臂结构误差对重力补偿机构的影响。最后，通过实验对系统采用的静平衡机构进行了研究分析。设计了静平衡实验装置和实验方法，对静平衡实验机构进行了标定，通过调节实现了机构的静平衡，达到了较好的重力补偿效果。开展静平衡实验，通过平行对照的方法分析了弹簧机构重力、滑轮半径、弹簧刚度稳定性等因素对机构重力补偿效果的影响，验证了本研究中误差分析理论和补偿方法的有效性。