近年来，随着科学技术的不断发展进步，人类对太空的探索也不断的深入。基于降低工程成本、提高作业效率和保障宇航员安全的目的，人们研制了形态、功能各异的空间机器人在空间中独立地或辅助宇航员开展空间任务。其中，自由漂浮空间机器人以其小型化、低成本、高度智能以及可自由飞行的特点，在执行空间在轨服务中扮演重要角色。由于工作在外空间微重力环境下，自由漂浮空间机器人的动力学性质有别于地面固定机座机器人，因此，为使其胜任空间装配、维修、捕获等复杂的任务，我们有必要深入分析该机器人系统的运动学与动力学，并给出适应其动力学特性的轨迹规划和运动控制算法。在分析自由漂浮空间机器人系统的运动学、动力学的基础之上，本文重点研究了基于参数多项式的非完整平滑轨迹规划方法，并针对所规划出的期望轨迹，设计出一种神经网络自适应轨迹控制器，实现末端效应器的对期望轨迹的跟踪。具体研究内容包括：引入增广体矢量及扩展机械臂的概念，推导出自由漂浮空间机器人系统的运动学方程，以及在关节空间内的动力学方程。并分析了自由漂浮空间机器人所特有的运动特性、动力学奇异现象、及末端效应器的工作空间。由于角动量方程的不可积性，导致自由漂浮空间机器人区别于其他机器人，有动力学奇异现象，增加了轨迹规划算法的难度。本文充分考虑由非完整约束导致的动力学奇异问题，将系统运动学方程转化到新的空间下，结合边界约束条件及系统始末位姿确定多项式系数从而求得目标轨迹，再进行反变换最终得出关节空间内的非完整平滑轨迹规划方案。针对自由漂浮空间机器人系统中部分动力学参数无法精确确定，本文设计了具有自适应能力的控制器。首先推导关节空间内的系统动力学方程并将其参数线性化，然后设计了针对动力学参数不确定性的直接自适应参数估计律和控制器，并在整个系统中引入由径向基函数神经网络构成的前馈环进行监督控制，以保证末端效应器对期望轨迹的良好跟踪性能。