在国家政策的支持和应用需求的刺激下,机器人技术得到了空前的发展,不论工业机器人、医疗康复机器人、家庭服务机器人还是特种机器人,都将越来越多地工作在未知的复杂环境中。在这些复杂的应用环境中,机器人如果不能做到有效的碰撞保护,机械臂就有可能对周围环境和人类甚至是机器人本体造成巨大伤害。为了实现机器人碰撞保护,首先要能够灵敏、准确、快速地检测到碰撞的发生。在碰撞检测的若干方法中,基于力矩传感器检测碰撞的方法因为具有方法简单、结果可靠、检测灵敏度高等特点,而受到越来越多学者的关注。所以,本文的研究目的是设计一款结构简单可靠、线性度高、灵敏度高、实时性好的关节力矩传感器。在设计之前,本文充分分析了碰撞过程中的相关技术要求和实验室已有集成关节的实验平台,提出力矩传感器的设计指标。利用“应力集中原则”对传感器弹性体结构进行设计。并根据传感器工作原理,提出力矩传感器的力学模型、参数模型和数学模型,通过多目标拓扑优化,使力矩传感器获得了更高的灵敏度和更好的应力集中效果。并对传感器的整体外形结构进行进一步优化,使传感器厚度进一步降低。除了结构设计,本文对力矩传感器的信号调理也进行了相关设计,包括:提出了并联电桥的拓扑结构,提高了传感器输出的稳定性;设计并制作PCB电路板,实现信号放大、A/D转换、电源供给等功能;通过对PCB上16个应变片输入引脚位置的设计和对输出信号进行数字滤波的方法,有效地增强了传感器输出信号的抗干扰能力;利用全桥电路自补偿能力解决了应变片温漂问题;编写程序在传感器上电后进行开机自检,有效地解决了传感器零漂和电桥不平衡问题。设计力矩传感器标定平台,完成静态标定工作。标定结果显示力矩传感器的各项性能指标完全实现了设计要求,并且具有非常好的线性度和灵敏度。给出了基于力传感器实现碰撞检测的解决方案,并且搭建了单轴机械臂碰撞实验平台,将力矩传感器串联在减速机末端进行碰撞检测实验。最终碰撞检测的实验结果验证了扭矩传感器性能的可靠性和碰撞检测方法的可行性。