液压挖掘机作为主要的工程机械品种，在国民经济的各个行业应用广泛。如何提高挖掘机的工作效率，降低操作人员的作业强度，更大程度地实现挖掘机的自动控制和自主操作水平已经得到国内、外业界普遍的重视。本文结合东北大学挖掘机机器人化和智能化项目，探讨了挖掘机工作装置拟人化操作的实现过程。　　首先将液压挖掘机完成了电-液化改造;建立了挖掘机工作装置和电-液比例系统的模型，探讨了油缸活塞杆在伸出和缩回两种情况下，负载压力变化的规律;在底层轨迹规划的基础上，从传统控制策略开始到结合模糊逻辑对轨迹跟踪的控制策略进行了探索。在上层，设计了基于行为的挖掘机工作装置控制结构，提出了液压挖掘机从挖掘目标到挖掘动作的行为分解模式;提出将挖掘动作和模糊逻辑结合起来模拟人的思维过程，针对挖掘机铲斗在插入料堆以后与不规则石块的相互作用过程，建立了模型，完成了仿真和实物验证。　　具体的研究工作包括以下几个方面:　　(1)根据挖掘机机器人化和智能化项目的要求，设计了电-液比例系统的改造方案，对PC02-1型小松液压挖掘机完成了电-液化改造;安装了倾角传感器和压力变送器，采用实测数据对倾角传感器进行了标定。在Matlab/Simulink环境下搭建了挖掘机的xPCtarget实时控制平台，给出了xPC target的配置方法。采用宿主机-目标机的外部模式实现对挖掘机的实时控制，为实现挖掘机工作装置的拟人化操作提供了硬件基础。　　(2)应用机器人理论分析了挖掘机的工作装置，建立了挖掘机工作装置的正向、逆向运动学模型，将位姿空间、关节空间和油缸空间联系起来，便于轨迹规划并可以在各个空间实现对挖掘机的控制。在Matlab/Simulink环境中对运动学模型进行了仿真，验证了运动学模型的准确性。　　(3)以比例阀阀芯的阀口-压力-流量特性方程、液压缸的流量连续性方程和液压缸活塞杆的力平衡方程为基础，建立了在活塞杆伸出和缩回两种情况下，电-液比例系统的状态空间模型。通过试验测得了各路比例阀的死区范围，采用最小二乘法对挖掘机开环测试的数据进行分析，对电-液比例系统的关键参数进行了辨识。　　(4)采用三次多项式插值法和过路径点的三次多项式插值法得到关节空间的时间位移函数。完成了单自由度和二自由度的轨迹跟踪PID控制仿真和实验。　　(5)为了实现铲斗的平稳运动，避免液压冲击，分析了动臂油缸活塞杆在伸出和缩回时负载压力跃变的规律。　　给出了在稳态情况下负载压力的解析表达式。提出在压力跃变过程中存在压力冲击和压力空穴阶段。压力冲击的峰值远大于压力跃变的稳态值。　　针对拟人操作系统的要求，提出在底层电-液控制系统里将抗干扰性作为衡量系统性能的主要指标，减小外部载荷的突然变化对铲斗运动轨迹的影响。通过设计模糊辅助控制器对常规模糊PID控制器的输出比例因子进行在线调整，扩大了比例环节的影响程度。　　(6)为使液压挖掘机能够模拟人的操作，提出了基于行为的液压挖掘机工作装置拟人操作的体系结构，以及应用有限状态机理论对液压挖掘机从挖掘目标到挖掘动作实现分解的模式，并应用Stateflow（状态流）工具箱完成了仿真试验。将挖掘动作和模糊逻辑结合起来模拟人的思维过程，提出了基于Fuzzy Logic（模糊逻辑）State-flow的拟人操作算法，完成了由挖掘动作对应的事件驱动使挖掘行为发生状态迁移的仿真实验。　　针对挖掘机铲斗在插入料堆以后与不规则石块的相互作用过程，提出了基于Simulink平台、Stateflow和Fuzzy Logic工具箱的实验方案，并以石块挖掘行为作为典型的工况完成了实验验证。　　在铲斗插入料堆之前，应用常规的行为控制算法对铲斗的运动轨迹进行规划和跟踪;在铲斗插入料堆之后，铲斗与不规则石块的相互作用，通过应用模糊行为控制算法模拟驾驶员的思维过程，对铲斗的运动轨迹实现智能控制。实验结果表明，应用模糊行为理论可以模拟有驾驶人员操作的挖掘机工作装置的挖掘过程。