随着太空探索的不断深入，空间在轨操作任务变得越来越繁重复杂。在进行大型桁架结构组装与空间站构建过程中，空间机械臂需要对具有大质量、大惯量的舱外载荷进行抓取、转移等操作，即空间机械臂需要具有大负载操作能力。此外，由于大载荷单元的捕获以及空间站的组装维护要求操作精度较高，因此，面向大负载在轨操作任务，对空间机械臂的精确操作展开研究符合我国未来空间探索的任务需求，具有显著的实用性。　　 本论文的研究内容来源于国家自然科学基金项目“面向大负载在轨操作任务的太空机械臂轨迹优化研究”。针对空间机械臂大负载精确操作任务，以七自由度空间大型机械臂为研究对象，重点对空间机械臂高效动力学建模、负载能力、轨迹优化和振动抑制进行了深入的分析和研究，主要研究内容如下。　　 首先，在空间机械臂运动学理论的研究基础上，推导了空间机械臂的雅克比矩阵，完成了空间机械臂运动学模型的建立。基于空间算子代数理论建立了空间机械臂高效逆动力学模型，并通过对机械臂广义质量矩阵的因式分解得到了其高效正动力学模型。相比牛顿欧拉动力学建模方法，其正、逆动力学建模计算效率分别提高了25％、17％左右，为后续研究奠定了理论基础。　　 其次，基于六维腕力传感器得到了空间机械臂末端杆件的动力学参数辨识方法，在此基础上建立了空间机械臂的负载模型，结合所建立的动力学方程对空间机械臂负载能力进行了分析研究，并得到了判断基座失稳的条件和方程。　　 再次，利用多项式插值方法对空间机械臂关节轨迹进行参数化处理，并针对空间机械臂负载最大化任务要求设计优化目标函数，在此基础上通过遗传算法优化计算得到了空间机械臂关节力矩最小的最优路径。实验结果表明，通过优化计算得到的路径其负载能力相比普通规划路径提高了30％左右。　　 再次，基于模态分析法建立了带柔性杆件的机械臂动力学模型，得到了衡量系统振动的激振力方程。利用四阶B样条曲线描述机械臂的运行轨迹，以轨迹结点为优化计算参数，在此基础上利用微粒群优化算法得到了空间机械臂振动最小的优化路径。通过微粒群算法所得机械臂路径其末端振动幅度减少了30％左右。　　 最后，结合所开展的地面实验任务，建立了由气浮平台、机械臂、对接机构、多视觉分系统组成的空间机械臂地面实验平台。设计了空间机械臂关节力矩最小以及捕获大负载的典型实验任务，实验结果验证了空间机械臂捕获大负载的可行性以及关节力矩最小算法的正确性。