多维力传感器可以检测三维空间多个方向的力和力矩信息,应用于多个领域。多维力传感器按测量原理主要分为应变式、压电式、电容式、光电式以及压阻式等。应变式多维力传感器既可测静态力也可测动态力,具有测量范围大、适用环境广、使用寿命长、价格低等优点。本文将对高精度、高速机器人用六维腕力传感器和深海三维流速传感器进行设计研究,并主要对这两种传感器的弹性体进行设计。针对高速、高精度机器人用腕力传感器,为满足高灵敏度、动态性能好以及无耦合输出的要求,本文设计了一种新型六维腕力传感器弹性体。在典型的带浮动梁的十字梁型六维腕力传感器弹性体的结构基础上进行了设计,其设计思路为:将浮动梁改为H梁,增加传感器的刚度,提高了动态性能;在主梁上打孔,提高传感器测量的灵敏度;主梁靠近中心台的部分加工为平行梁,提高传感器灵敏度;在梁上应变最大的位置粘贴应变片,设计全桥电路的连接方式,使其能够实现理论上的解耦。举例说明新型传感器在静态和动态性能上均优于原六维腕力传感器。提出了应变式六维腕力传感器的弹性变形对机器人定位误差有影响,基于机器人微分运动学,建立机器人位姿误差模型,并提出了实时补偿方法;基于有限元仿真及空间几何知识,举例验证了误差模型,并对机器人误差源进行分析,发现位姿误差主要是由扭转变形引起的。对新型六维腕力传感器进行优化设计。提出了针对六维腕力传感器弹性体的性能评价标准,包括六维方向的测量灵敏度、弹性体刚度以及一阶固有频率,并作为优化目标参数;研究了弹性体各尺寸对传感器六个方向的灵敏度、刚度、一阶固有频率的影响程度,确定了优化的自变量;基于Designexpert软件,采用响应曲面法中的Box-Behnken法,建立正交表,采用逐步回归法,建立二次多项式回归方程,之后根据回归方程对弹性体尺寸进行优化;最后通过实验进一步说明该传感器的可行性。针对海流维间差异较大且垂直流速很小,很难直接测量的特点,本文提出一种新型三维海流流速测量传感器,该传感器由水平流速测量装置和垂直流速测量装置组合而成,可以实现水平流速和微小垂直流速的分开测量。根据水平流速的特点,设计了水平流速测量装置,该装置由圆球、圆柱固定杆及十字梁组成。用圆球绕流阻力的原理来感应流速,圆柱固定杆进行放大,以及十字梁进行力的测量。根据垂直流速的特点,借助于水平流速的测量结果,基于库塔-儒科夫斯基升力定理,采用薄圆盘对垂直流速进行感应,并通过放大机构对圆盘升力进行放大,最后设计一个力传感器测量放大后的力的大小。基于流体有限元仿真及流体力学理论验证了圆球和薄圆盘测量流速的原理,定义传感器整体尺寸,通过流体有限元仿真,保证传感器装置对流场的干扰不影响流速测量的准确性;对三维流速传感器进行结构设计,通过材料力学理论、有限元仿真以及实验进行测量原理验证;对该水平流速测量结构进行优化、强度校验、频率特性研究及维间耦合分析;介绍了垂直流速测量装置中的微力放大机构,基于三级杠杆放大原理及材料力学理论对该放大机构进行力传递和受力变形研究,基于寻找能量消耗源的方法,对放大机构进行优化。最后,总结传感器弹性体的设计思路:根据应用环境,调整弹性体尺寸满足性能要求;调整弹性体结构,增大有效作用力;采用合适的结构,对微小力放大后再测量;使应力集中于测量点,即弹性体变形集中在测量点;合理的质量分布,提高固有频率。围绕这五点总结,举例进行详细验证。