空间机械臂是空间站建设、维护维修、运营管理及辅助宇航员出舱等任务的重要工具之一。根据我国空间站任务的迫切需求,本文对空间站所需的空间机械臂在进行精细、复杂操作任务及力控制、运动柔顺控制时所需的关键力感知技术进行了深入研究。旨在研制出一种具有良好一致性、高可靠性、高精确度、高刚度、高灵敏度、良好集成性、具有零点漂移和温度漂移补偿且具有过载保护的六维力/力矩传感器,并围绕六维力/力矩传感器的优化、静态特性和温度漂移补偿及在线标定等问题开展深入的研究。本论文将显著提高我国在该领域的研究水平,并为国家空间站项目的顺利实施提供有力保障。针对传统上六维力/力矩传感器常采用试凑法设计,从而导致其在很大程度上依赖于设计者的经验和能力,且往往无法获取性能最优的传感器模型等缺点,本文提出了一种基于响应面方法的六维力/力矩传感器优化方法,并以空间机械臂六维力/力矩传感器弹性体的优化为例进行了说明。该方法通过合理安排试验设计,只需要少量精确的有限元计算,就能利用响应面方法拟合出足够精度的传感器近似数学模型。以拟合的传感器数学模型为基础,以传感器应变柔顺矩阵的条件数最小为优化目标,以弹性体的结构参数作为设计变量,并以传感器的灵敏度和刚度等为约束条件,即可快速获得最优的传感器模型。为研制一种适合空间机械臂的六维力/力矩传感器,并参考国外文献,本文研制的传感器采用电阻应变原理。针对空间机械臂的高刚度及集成化要求,设计了一种新型结构的弹性体。该弹性体采用通孔形式的平行板梁结构,从而在保证刚度的条件下,有效地提高了传感器的灵敏度。为保护传感器在恶劣工作情况下免受损害,设计了阶梯销和通孔作用的机械式过载保护。为使传感器实现零点漂移和温度漂移的补偿功能,设计了D/A补偿及温度采集电路。为了便于和空间机械臂的集成,传感器本身具有力/力矩信号的解耦和温度信息处理能力,并通过RS-422方式实现与机械臂关节控制器的通信。为获取六维力/力矩传感器的静态特性,设计了基于滑轮-砝码的标定系统,并对标定系统的误差进行了分析。采用最小二乘方法获得了六维力/力矩传感器的标定矩阵,通过加卸载实验得到了传感器的各项静态性能指标和耦合误差。经过实验发现传感器的温度漂移现象非常严重,因此提出了基于粒子群算法优化最小二乘支持向量机的补偿方法。实验结果表明,该方法有效地解决了传感器的温度漂移问题。此外,针对传感器的刚度性能、过载能力及力学振动特性进行了实验研究。针对空间环境下六维力/力矩传感器的校正问题,提出了基于空间机械臂关节力矩传感器在线标定六维力/力矩传感器的方法。该方法在空间机械臂末端执行器抓取某固定点时,且确保各关节位姿不变的情况下,通过机械臂的控制命令给各关节施加一系列不同的作用力,使得机械臂处于内力平衡状态。通过力雅克比矩阵,将关节力矩传感器检测的力矩信息映射到六维力/力矩传感器上作为标准载荷,同时采集六维力/力矩传感器的实际输出电压信号,从而建立标准输入作用载荷、实际输出电压信号及标定矩阵之间的等式关系。为了获取更加精确的标定矩阵,可以改变机械臂的位姿,并重复上述操作来获得大量实验数据。最后采用最小二乘法对实验数据进行处理即可实现六维力/力矩传感器的在线标定,实验结果表明该方法快速高效。