挖掘机在建筑、施工等领域有着重要的地位,被广泛应用于各类机械化施工和救灾现场中。对于人类不便于直接进入的工作环境(太空开发、水下作业等)来说,自主挖掘是不可或缺的得力助手,这也促使挖掘机向挖掘智能化、自动化方向发展。对挖掘机工作装置的轨迹规划是实现自动挖掘的基础,但由于挖掘机性能的特殊性以及工作环境的复杂性,挖掘机的轨迹规划相比于一般工业机器人的轨迹规划更为复杂,主要体现在:(1)在自动挖掘机的轨迹规划中,除了要满足一般工业机器人轨迹规划时所需要满足的约束条件以外,还要保证规划轨迹后得到的挖土量为挖掘机满铲时的挖土量;(2)挖掘机在挖掘过程中,由于挖掘对象特性事先不可预测,在存在大障碍物的非均质介质条件下,挖掘机会不可避免的与大障碍物发生碰撞,如不及时处理,将会减少挖掘机的机械寿命,造成严重后果;(3)实机测试成本投入过高,费时费力。这些因素导致在设计挖掘机的轨迹规划方法时,所需要考虑的各类约束条件更多,问题分析变得更加复杂,对于挖掘机轨迹规划的要求就越高。在挖掘过程中,根据挖掘机的特点,采用优质的轨迹规划方法可以有效的保证挖掘机的工作效率,使挖掘机在不同土壤环境都能高效平滑的完成挖掘动作。鉴于此,本文提出了相应的轨迹规划算法:(1)针对规划轨迹后得到的挖土量必须为挖掘机满铲时的挖土量的问题,提出一种基于五次多项式和积分法的轨迹规划方法;(2)针对非均质介质条件下挖掘过程中遇到障碍物的情况,利用原像规划(Preimage planning)以及下层前向搜索(Forward searching)的两级规划方法进行规划,使挖掘机能够在遇到障碍物的情况下沿着障碍物做适应性运动,避开障碍物,完成平滑高效挖掘。本文以福建晋工机械有限公司JGM915型挖掘机为研究对象,运用Matlab仿真软件建立了JGM915型挖掘机的运动学和动力学模型,推导出了挖掘机液压缸缸长和关节角度的转换关系方程,设计了相应的轨迹规划算法。同时运用AMESim仿真软件对挖掘机的机构和液压系统进行仿真建模,实现了AMESim液压机构模型和Matlab/Simulink的联合仿真。实验表明,本文提出的设计方案可以有效的验证所提出方法的可行性,能够为实际的挖掘作业提供指导,同时降低了开发成本,可以用于实际的生产测试中。