空间机械臂具有巨大的军事和民用价值，是近年来机器人领域的重点研究对象。由于基座不受控，运动时手臂与基座之间存在耦合力和力矩，会对基座位姿产生干扰。当两者之间的作用力过大时，基座将产生严重的位移和转动。本文运用智能优化算法对手臂运动进行规划，保证手臂运动对基座的作用力最小，达到基座位姿干扰最小化。首先，针对基座无不受控的机械臂系统进行数学建模，推导自由漂浮状态下机械臂的动力学和运动学。运用动量守恒定理对手臂和基座的运动学和动力学进行解耦，得到一种类似于地面机械臂的运动学及动力学公式。进一步讨论机械臂特有的动力运动学特性、非完整性、奇异性。并对机械臂的工作空间，姿态无扰工作空间及位姿无扰的工作空间进行分析，为机械臂的轨迹规划提供理论基础。其次，编写了一种适用大空间搜索、高效、不易限于局部解的遗传算法。采用轨迹分解规划的思想，先以手臂的位置移动为目标函数，规划出各手臂关节的最终状态，再以最大反作用力为目标函数，规划出手臂的运动过程，并针对这种算法进行具体的空间手臂规划仿真。而后采用一种合成规划的思想，分别以手臂的最大反作用力和基座位置状态为优化目标进行轨迹规划，对两种规划方法进行比较，得出最优的路径规划算法。第三，针对机械臂的结构进行设计和优化。为获得结构变形小和抗振动性强的结构，利用ANSYS软件的瞬态动力学功能对设计的结构进行分析及定型。利用ANSYS优化设计功能，得到扰动小，质量轻的手臂结构；再对手臂结构进行建模，分析手臂结构的模态固有频率，论证该结构下共振安全性。