针对空间机械臂地面物理仿真系统中零重力模拟系统的设计问题，本文主要从三个方向展开了设计与分析：空间机械臂地面零重力模拟系统三维模型与力学模型的建立与研究、零重力模拟系统各个分系统设计与分析、零重力模拟系统模拟程度探讨与空间机械臂之间相互影响。通过构建空间机械臂零重力工装的三维建模与力学模型确定了研究对象的基本几何参数与力学参数，对研究对象有了直观与深入的印象，为后面的分析与设计打下了良好的基础。通过三维模型对空间机械臂的运动进行仿真，解决了仿真过程中暴露出的一些机械结构问题；通过分析空间机械臂零重力模拟系统的力学模型，推导了零重力工装对模拟精度的影响。先从系统整体的角度对空间机械臂地面零重力模拟系统按照功能的需求进行了总体的规划，然后在此基础上对各个子系统进行了详细而周全的设计与分析：确定了机械支撑系统各个部分的详细设计与具体功能分析；完成了对数据采集系统设计、组成、功能分析及相应软件的编写；通过计算和选择合适的气足来设计最优的气悬浮系统。通过对空间机械臂地面零重力模拟试验结果进行分析得出几组比对数据，然后在结合试验现象进行推导与计算：在对空间机械臂地面模拟仿真过程所得的数据分析、统计及处理得基础上，对空间机械臂零重力模拟的关键指标减载效率进行了分析与计算；通过分析试验过程中出现的异常现象并结合当时的试验数据对零重力模拟系统与空间机械臂本体之间的共振耦合作用进行了推导与分析，在所得结论的基础上提出了理论上的解决方案。本文创新点主要有：以往气悬浮式零重力模拟直接采用刚性支撑，忽略了空间机械臂是柔性体与气浮台面不平等影响因素，使零重力模拟精度降低。本文引入了柔性机构来降低上述原因造成的影响，并在基于多自由度系统振动的理论对系统之间的共振耦合作用进行了分析与推导。以往空间机械臂零重力模拟试验没有考虑零重力工装对试验的精度的影响及支撑点（吊点）的优化问题，本文基于最小方差理论对支撑点进行了优化，给出了优化的目标函数与。以往零重力试验系统的设计目标就是达到功能，本文在长期试验基础上提出了影响零重力模拟精度的几个指标，来判断零重力模拟系统的精确与否。