多维力传感器是指能同时测量两个或两个以上方向力/力矩的传感器,因其具有丰富的测力信息,故被广泛使用和研究。多维力传感器由于存在维间耦合,导致测量精度难以提高,当前的技术难点在于如何设计出自解耦的弹性体以及如何对耦合输出信号进行解耦。本文以小型扑翼飞行机器人风洞试验应用为目标,基于双孔平行悬臂梁和冗余驱动过约束平面并联柔顺机构设计了一种三维力传感器的新型柔顺敏感机构,用于测量飞行器的升力、牵引力、和倾覆力。此外,提出一种采用冗余敏感信号零空间实现耦合信号的解耦优化方法。首先对三维力传感器弹性体的构型设计作了介绍,包括基本变形单元、三向力传递机构——冗余驱动过约束平面并联柔顺机构以及构型过程;在此基础上,对机构运动学建立模型并推导运动学方程,逆向分析得出了机构反解公式,并根据运动连续性求出一组机构逆解。除此之外,以雅可比矩阵的全局条件数作为评价机构各向同性的指标,采用MATLAB遗传算法工具箱优化机构参数并得到满足目标函数的一组最优值。结合运动学结论建立了机构静力学方程,得出传感器输入输出映射矩阵。其次采用有限元仿真分析法对三维力传感器建模并做了四方面分析。其中,静力分析得传感器非线性误差小以及各向灵敏度高且一致,映射矩阵零空间逆解优化降低了维间耦合并得出最大耦合误差小于2%;刚度分析验证机构的各向同性性能良好;模态分析得三维力传感器的前六阶位移云图和固有频率的值,并根据第一阶固有频率算出传感器工作带宽满足小型扑翼飞行器的扑动频率要求;瞬态分析得到传感器在动载下的响应时间,为上位机数据采集时间提供参考。最后设计了三维力传感器的信号采集系统:包括系统总体设计,下位机驱动程序的编写以及上位机界面的设计,单片机与PC之间采用RS232串口实时通讯;此外,还搭建了实验平台并采用砝码加载方式对三维力传感器进行了静态测试实验,得到传感器实际工况下一些重要的静态性能指标并由此可知所设计三维力传感器具有较好的静态性能。