电铲是露天开采中的主要的大型装备之一，用于矿山表面物的剥离和矿石的采装作业。我国的电铲长期依赖于进口，设计开发具有自主知识产权的电铲产品，具有积极意义。本文分析了国内外电铲发展历史和挖掘工作机构的演化，以及关于挖掘机构力学性能的研究现状，结合并联机构设计理论，提出了一种新型电铲挖掘机构，并研究了新型挖掘机构与被挖掘物料的作用模型、挖掘过程驱动与外部环境之间的关系、挖掘装置电机能量与动力匹配模型、挖掘能力研究以及挖掘能耗优化模型等，为电铲挖掘机构的设计提供了理论基础。主要研究了内容如下：（1）研究挖掘铲斗与物料相互作用过程中阻力特性，提出一种新的挖掘阻力计算模型，为挖掘机构的设计提供理论基础。与现有的挖掘阻力模型相比，这种模型考虑了挖掘厚度、挖掘切削角、挖掘速度、铲斗几何尺寸、被挖掘物料的物理特性等多个参数，计入了挖掘操作方式因素，并给出了由于铲斗前端与物料挤压引起的阻力的计算模型。与现场的实测数据结果相比，此模型计算的结果比现有的阻力模型得出的结果更接近于实测结果，准确度更高。（2）根据挖掘阻力存在最优挖掘角原理，三自由度挖掘机构可以实现最小挖掘阻力，通过机构型综合方法，设计发明了一种新型三自由度并联挖掘机构，和传统的二自由度挖掘机构相比，新的挖掘机构可以调节铲斗的转角，实现在挖掘过程中以最佳挖掘角进行挖掘作业，降低挖掘能耗，提高挖掘过程铲斗装载满斗率，并可以独立完成清障作业。研究挖掘过程挖掘机构与外部动态环境关系，建立了新型工作机构挖掘过程的数学描述模型，提出挖掘轨迹的确定方法和铲斗-物料系统重心的确定方法。建立挖掘机构的几何模型，并在新的挖掘阻力模型基础上，建立挖掘机构驱动输入与外部动态环境关系的模型。在这些模型的基础上，得出挖掘过程中挖掘机构各个驱动力的变化和挖掘消耗能量的大小；分析挖掘机构尺寸变化和轨迹变化对挖掘能耗的影响，给出挖掘机构尺寸优化和轨迹优化的方法。通过对轨迹进行多项式曲线拟合，优化多项式方程的系数，得到近似最佳轨迹。（3）研究外部动态工作环境与驱动匹配的关系，建立了新三自由度挖掘机构的能量匹配和驱动电机动力匹配模型：在动力学模型的基础上，这个模型考虑了外部负载为变化的惯性负载和变化的力矩负载的多驱动系统的复杂情况，通过定义广义传动比，得到可用电机空间，并通过优化得到驱动系统的最佳传动比，将这种方法运用到挖掘机构，得到了其能量匹配和驱动电机动力匹配模型。（4）研究挖掘机构挖掘输出能力空间，提出了两种计算机构输出能力多面体空间的算法，在多面体空间性质的基础上，提出一种建立在机构输出力的多面体空间基础上的多自由度驱动电机的动力匹配模型，针对于给定设计要求输出力是一个空间范围的情况，通过驱动力与输出力的空间映射关系，得到驱动力输入与设计要求输出力空间的匹配模型。本文主要成果包括：发明了一种具有自主知识产权的双斗杆新型三自由度并联挖掘机构，能够实现以最佳挖掘角进行挖掘，提高满斗率和独立完成清障作业；提出了一种考虑物料参数、铲斗几何形状以及挖掘具体操作方式的挖掘阻力计算模型，经过实测证明这种模型更加准确，为挖掘机的设计和性能分析提供了理论基础；考虑挖掘机构多驱动系统的耦合、驱动传动系统以及外部变化的惯量负载，建立三自由度挖掘机构的能量与动力匹配模型，为新型电铲挖掘机构及其他多自由度系统的驱动系统研究提供了新方法。总之，本文的研究成果为新型三自由度挖掘机构及类似的机械系统的设计和性能分析提供了理论基础。