随着科学技术的发展,对地球轨道卫星的需求越来越多,如何保证地球轨道卫星的寿命是各国航天技术人员必须面对的一大挑战。特别是现在航空技术的发展还没有达到能够随时安全的将航天员送入太空的地步。使用太空机器人系统进行卫星维修已经成为一个热门的研究对象。但是由于太空和地面存在巨大的距离差,地面人员无法直接观察到太空中的环境,从而无法保证操作安全。增强现实系统已经在航天领域证实了能够为操作人员提供太空场景的有效显示,从而有力的“穿透”天地距离,直接将太空环境显示在面前。为了提升太空机器人系统在太空远距离复杂环境下的安全操作和任务效率,解决天地时延问题对太空机器人系统操控的影响,增强操控人员的态势感知能力,本文提出了太空机器人天地增强现实人机交互系统,并按照研究进程一一进行了介绍:首先,本文分析了本技术的国内外研究现状及研究意义,探讨了人机交互系统、增强现实系统概念、要求、功能以及使用的技术软件。其次,介绍了人机交互增强现实系统的组成,分别阐述了系统的整体运行模式,以及系统组成模块,明确了四大核心组件:太空场景成像、仪表符号生成、增强现实处理、人机交互可视化模块。接着,本文开始对太空场景模型进行设计,设计包括:服务卫星、客户卫星、机械臂、执行器、可更换电池等。同时介绍了一种用于路径规划的Bezier算法。然后,设计了用于操作的虚拟增强现实作业要素,包括虚拟标线对准框、威胁告警、按键和虚拟仪表、作业进程指示、三维空间坐标显示、高速飞行通道等。之后,重点研究了人机交互控制与显示处理。逐步介绍了包括太空机械臂运动学、人机交互图像处理等元素,详细探讨了它们的原理和实现方法,以及人机交互显示设计。最后介绍了在天地人机交互中最重要的组成部分:遥操作预显示处理,并分析了其在增强系统操作人员操作安全能力方面的重要作用。基于上述研究,本文利用计算机仿真的方法,结合太空更换电池任务,实现了太空机器人天地增强现实人机交互系统软件,以视觉环境仿真、传感器成像作为太空场景,以虚拟仪器仪表和三维空间符号展示在服务卫星执行更换电池任务中飞行状态信息和操作过程中各部分的位姿信息,以增强现实技术全方位辅助、提升系统操控人员对太空环境的认知。结果表明,太空机器人天地增强现实人机交互系统能够有效的辅助太空机器人系统控制任务,降低获得场景信息的理解难度,降低系统操作人员工作量,有效的提升操作任务准确性和安全性。