随着人类对空间资源的不断开发利用,空间基础设施建设不断加快,在轨服务已成为未来航天任务的必要组成部分。为胜任多样化在轨服务任务,具有多臂协同操作功能的航天器成为未来航天器设计制造的重要方向。在其执行任务过程中,错综复杂的空间环境与结构对任务的顺利实施提出了严峻挑战。据此,本文开展三维复杂场景下多臂航天器路径规划研究,突破制约多臂航天器空间中灵巧移动的技术瓶颈,解决路径规划过程中的技术难题,为在轨服务任务的顺利实施奠定基础。针对多臂航天器的移动任务需求,提出了一种分层规划方法。对空间移动任务进行系统分析,明确其任务形式与需求,获得任务参数;确定了路径规划的分层结构体系;按照全局到局部的逻辑关系,提出全局质心路径规划、移动步态规划、关节运动规划三个层次,并对每个层次分别开展研究。针对质心路径规划问题,提出一种基于质心包络刚球模型和拓邻域蚁群算法的多臂航天器全局路径规划方法。首先,对三维空间环境进行定义和建模,将三维环境与障碍信息参数化生成三维栅格地图;考虑运动过程中的包络约束和操控过程中的附着要求,对三维地图模型进行预处理,封闭不满足约束的空间。利用环境模型几何特征对搜索路径进行延拓,以调节搜索步长并利用拓邻域搜索的蚁群算法得到满足任务约束的最优或近似最优路径。针对移动步态规划问题,提出多臂航天器的步态动作设计方法与步态决策规则,生成基于能耗优化的多臂航天器移动步态动作集序列。针对在轨服务失重特性,设计了平移和翻转两种基本动作集,给出了机动动作集的参数化表达方式;基于抓取与附着要求,确定了步态决策规则;考虑能耗最优原则,生成了移动步态动作集序列。针对关节运动规划问题,提出了一种改进梯度投影法的多臂航天器关节空间规划方法,利用虚拟实验生成了无碰撞的多臂航天器关节运动轨迹。首先,建立了多体动力学模型,确定了机械臂的关节位置、几何构型、惯量分布等特性;其次,基于虚拟仿真平台进行碰撞检测和规避;最后利用梯度投影法改进轨迹规划结果,得到了已知航天器质心位置姿态及多机械臂末端位姿的关节运动轨迹。最后,利用分层规划结构和各层级规划方法,进行联合仿真,验证了本文所提出路径规划方法的有效性。