1 機(jī)器人化挖掘機(jī)的研究        為延伸人類在復(fù)雜、惡劣、危險(xiǎn)環(huán)境中的作業(yè)，世界各國(guó)對(duì)機(jī)器人化挖掘機(jī)研發(fā)工作非常重視，國(guó)外在這方面研究比較早,較為典型的有： (1) Carnegie Mellon大學(xué)的自主裝載系統(tǒng)(Autonomous Loading System, ALS)[1][2] ALS 系統(tǒng)使用兩個(gè)激光掃描測(cè)距儀，對(duì)卡車進(jìn)行確認(rèn)和準(zhǔn)確定位、觀測(cè)土壤表面情況、識(shí)別障礙物等。該系統(tǒng)還提出一種用于實(shí)時(shí)軌跡規(guī)劃和執(zhí)行復(fù)雜挖掘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的參數(shù)化控制方法。相同情況下，普通挖掘機(jī)熟練的操作手裝滿一卡車需要120秒，而使用該系統(tǒng)也少于150秒，完成一個(gè)裝載循環(huán)的時(shí)間小于1分鐘，與熟練的操作手的操作速度基本相當(dāng)。因此該系統(tǒng)能滿足連續(xù)重復(fù)挖掘裝載的工況要求。 (2) 澳大利亞機(jī)器人中心(Australian Center of Field Robotics, ACFR)的自主挖掘研究[3] ACFR 挖掘機(jī)項(xiàng)目的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)挖掘任務(wù)，如自動(dòng)裝載和挖掘，其所解決的問題可歸納為以下三類：挖掘任務(wù)規(guī)劃、傳感和計(jì)算、控制，其實(shí)驗(yàn)挖掘機(jī)是 Komatsu PC05-7微型液壓挖掘機(jī)。使用滑模控制(Sliding Mode Control) 來實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的力與位置控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ACFR的自主挖掘機(jī)軌跡精度在20cm以內(nèi)，對(duì)于液壓系統(tǒng)的非線性，及系統(tǒng)的不確定性有較好的魯棒性。 (3) 英國(guó)蘭卡斯特大學(xué)的智能挖掘機(jī) (Lancaster University Computerized Intelligent Excavator，LUCIE)[4]        LUCIE 將小型挖掘機(jī)進(jìn)行了改造，配備Danfoss電液比例閥，由3塊堆棧式PC104計(jì)算機(jī)控制，并用精度為25mm的GPS導(dǎo)航與定位，激光掃描器用于探測(cè)干涉和了解環(huán)境。LUCIE在沒有人干預(yù)的情況下能適應(yīng)各種土壤和障礙。其高層控制系統(tǒng)為含有人工智能挖掘規(guī)則的“行為管理器”；底層控制器則控制電液比例閥，使工作裝置能夠正確的運(yùn)動(dòng)。 (4） 國(guó)內(nèi)機(jī)器人化挖掘機(jī)的研究       國(guó)內(nèi)在這方面研究相對(duì)較遲，浙江大學(xué)馮培恩教授從80年代開始率先著手研究挖掘機(jī)機(jī)電一體化技術(shù)，首先實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)器人作業(yè)過程的分級(jí)規(guī)劃和局部自主控制[5]。但是他們?cè)谌蝿?wù)規(guī)劃層面上只停留在仿真階段，還沒有提出顯著的實(shí)現(xiàn)方案。20世紀(jì)末由戴炬負(fù)責(zé)的863計(jì)劃項(xiàng)目“挖掘機(jī)器人工作裝置控制系統(tǒng)研究與開發(fā)”，以挖掘臂軌跡和工作循環(huán)的自動(dòng)/半自動(dòng)控制為目標(biāo)，開發(fā)研制相應(yīng)的控制裝置,安裝在挖掘機(jī)上形成挖掘機(jī)器人產(chǎn)品，研制一臺(tái)挖掘機(jī)器人功能樣機(jī)。湖南山河智能機(jī)械股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱山河智能)研究的機(jī)電一體化挖掘機(jī)，具有激光高程定位、圖形導(dǎo)引、自動(dòng)軌跡控制[6]（水平挖掘、坡度挖掘、挖掘深度控制）等功能，將挖掘機(jī)的自動(dòng)化研究推向?qū)嵱没?005年上海國(guó)際工業(yè)博覽會(huì)與2006年巴黎INTERMAT展覽會(huì)上贏得觀眾青睞。

2 遙控挖掘機(jī)的研究       世界各國(guó)對(duì)用于各種場(chǎng)合機(jī)器人遙控系統(tǒng)的研發(fā)工作都非常重視，并取得了大量遙控機(jī)器人的研究成果。在80年代初，美國(guó)Kraft TeleRobtics公司和John Deer公司等都相繼成功開發(fā)出遙控挖掘機(jī)。其中，比較典型的是John Deer公司的690CR型遙控液壓挖掘機(jī)，該機(jī)無線遙控作業(yè)范圍達(dá)1525米，也可以用同軸電纜在305米的范圍內(nèi)完成作業(yè)。控制臺(tái)包括圖像/聲音接收器，以及為處理輸入信號(hào)所需要的譯碼裝置，這類挖掘機(jī)遙控系統(tǒng)可以對(duì)被控車輛的工作狀態(tài)借助攝像機(jī)，將有關(guān)圖像傳遞給操作者。但事實(shí)上由于工程車輛工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，灰塵量大攝像頭容易被遮擋，故障診斷監(jiān)控系統(tǒng)的信息卻未能真正反饋給操縱人員，從而影響了正常工作效果。        1983年3月，日本小松制作所以PC200-2型液壓挖掘機(jī)為基本機(jī)型進(jìn)行遙控挖掘機(jī)研制，實(shí)現(xiàn)了各工作裝置的微動(dòng)控制和復(fù)合動(dòng)作的無線電操縱。改裝成功后的PC200R-2型挖掘機(jī)可以進(jìn)入惡劣環(huán)境、救災(zāi)工程等危險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)并利用無線遙控操作進(jìn)行作業(yè)。該系統(tǒng)沒有進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通訊，出現(xiàn)較大意外負(fù)載的情況不能及時(shí)被遙控操作者所發(fā)現(xiàn)，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)耗電量較大，本身不具備自調(diào)節(jié)功能而影響正常工作。        德國(guó)HBC公司于1987年研制成功應(yīng)用于工程車輛領(lǐng)域的工業(yè)無線電遙控裝置，這種遙控裝置采用了先進(jìn)的數(shù)字化通訊技術(shù)，傳輸?shù)谋壤刂菩盘?hào)安全、可靠、實(shí)用。近年來，HBC對(duì)于礦山機(jī)械、混凝土泵車、隨車起重機(jī)和移動(dòng)式汽車起重機(jī)等工程機(jī)械提出了一系列無線遙控作業(yè)的解決方案。 浙江大學(xué)在1996年初研制成了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的液壓挖掘機(jī)近距離無線遙控系統(tǒng)，該系統(tǒng)遙控半徑在20米左右，通過目視觀測(cè)進(jìn)行遙控作業(yè)完成簡(jiǎn)單作業(yè)。中南大學(xué)與山河智能合作也在無線遙控、GPS/GPRS、無線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控等方面進(jìn)行研究，目前的無線遙控半徑為100米左右。        目前國(guó)內(nèi)外已有利用GPS/GPRS技術(shù)將遠(yuǎn)程挖掘機(jī)的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)中心進(jìn)行分析處理,由車載數(shù)據(jù)采集及發(fā)送系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、服務(wù)控制系統(tǒng)組成挖掘機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)的專利申請(qǐng)[7]。

3 挖掘機(jī)節(jié)能技術(shù)的研究        液壓挖掘機(jī)作為一種靈活的多功能工程機(jī)械，節(jié)能性一直是其追求的目標(biāo)。傳統(tǒng)工程機(jī)械的能量利用率較低，僅為20％左右，目前“節(jié)能”是世界工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。各大公司均把“節(jié)能技術(shù)”作為科技重點(diǎn)發(fā)展目標(biāo)，以提高其產(chǎn)品在世界市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力[8]。在技術(shù)上，一方面對(duì)液壓系統(tǒng)及液壓元件進(jìn)行改善 [9]。另一方面，從功率鏈的思想出發(fā)，研究分析發(fā)動(dòng)機(jī)與泵、液壓系統(tǒng)與負(fù)載的功率匹配問題，從而達(dá)到整機(jī)功率的優(yōu)化設(shè)置[10]。        進(jìn)入80年代后，美、日、德等國(guó)在液壓系統(tǒng)節(jié)能的基礎(chǔ)上，紛紛開始研制電子節(jié)能的液壓挖掘機(jī)。如日本小松公司開發(fā)研制的新型節(jié)能控制器（OLSS系統(tǒng)），可使燃油節(jié)省 23％；日立公司對(duì)UH16型挖掘機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)施電子控制，生產(chǎn)效率提高20％，使其燃料消耗降低12～18%；美國(guó)卡特彼勒公司采用的卡特電子功率控制系統(tǒng)，能夠平衡發(fā)動(dòng)機(jī)功率和泵的輸出，在大幅度提高生產(chǎn)率的同時(shí)能使發(fā)動(dòng)機(jī)功率的98%轉(zhuǎn)換為液壓能[11][12]。80年代末期，三檔功率預(yù)選模式節(jié)能控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，使系統(tǒng)平均節(jié)能效果提高20％左右[13]。其后日立的電子負(fù)載傳感ELLE系統(tǒng)，以及德國(guó)利勃海爾公司在1990年推出的942型挖掘機(jī)，可獲得全部的液壓功率，起到較好的節(jié)能效果[14]。目前，以微機(jī)或微處理器為核心的電子控制系統(tǒng)在國(guó)外液壓挖掘機(jī)中應(yīng)用相當(dāng)普及，并已成為現(xiàn)代高性能液壓挖掘機(jī)不可缺少的組成部分。

4：振動(dòng)挖掘機(jī)理研究

       國(guó)內(nèi)吉林工業(yè)大學(xué)殷涌光、王國(guó)強(qiáng)等人研究發(fā)現(xiàn)采用二維振動(dòng)切削土壤不僅可大幅度降低插入阻力,而且可大幅度降低能耗。在影響功耗的各參數(shù)中,插入速度對(duì)功耗的影響最為顯著,其次是頻率,再次是振幅。