随着近代工业技术以及现代制造业的发展和革新,自动化作业机器人已经成为工业领域的重要组成部分。无论是重载制造装备,还是工业上常用的工业机器人和机械手,在其工作过程中都需要多维灵巧的操作能力和实时力反馈功能帮助其实现正确恰当的自主操作,而保证这一功能可以正确实现的核心结构就是六维力传感器。高灵敏度的六维力传感器是机器人手臂关节的重要组成部分也是不可或缺的部分,六维力传感器的性能直接决定机器人的工作效率。本文选用动态测量性能及力反馈性能较为优异的压电石英作为力敏元件,通过建模仿真技术及结构设计技术,结合并联分载原理及多支点测量原理设计了一种应用于工业机器人及机械手关节部分的轮辐式压电六维力传感器,并进行了性能标定及优化。首先,本文对三支点测量原理,四支点测量原理及五支点测量原理等进行研究,推导出多支点测量原理及测量公式,结合多支点空间布局原理将四支点布局方式中的十字形布局及正方形布局进行结合,提出一种新型的八支点空间布局方式并对其测量原理进行了深入研究。其次,本文结合多支点测量原理及测量公式对力敏元件的叠放布局方式进行了深入分析。基于压电机理及压电方程整合出一整套合理的石英晶组叠放布置方式,依据八支点空间布局原理,设计出一种无耦合现象的六维力测量方案及测量公式。再次,本文通过市场调研和文献检索,考虑机器人及机械手臂关节尺寸及操作环境需要,结合八点支撑式空间布局方案设计出一种圆盘式压电六维力传感器结构。通过参数化建模结合仿真实验,得出该结构传感器的性能指标,圆盘式压电六维力传感器可以有效完成六维力的测量,但是存在上下盖壳体受力不均、力学传递效率较低、质量过大以及固有频率不足等缺陷。基于轻量化原则结合力学传递机理以及并联分载原理,对圆盘式压电六维力传感器结构进行优化设计,将圆盘力学分载机构改进设计为轮辐式结构,建模并进行仿真实验。实验结果显示:经过结构优化,轮辐式压电六维力传感器结构力学传递性能得到了大幅度改善,上下盖壳体受力一致,轮辐式并联分载机构作用良好,力学传递效率较高,同时固有频率和灵敏度也得到极大的提升。轮辐式压电六维力传感器结构采用轻量化设计,大大降低了传感器本身重量,减少了安装后机器人以及机械手臂的工作能耗,提升了工作效率。轮辐式压电六维力传感器主要特点为:低能耗、高固有频率、高灵敏度,同时具有高速测量和动态测量功能。最后,本文对轮辐式压电六维力传感器进行参数化建模,建立了力学模型以及参数化实体模型,并对其进行六维力测量仿真实验,结合八支点测量公式对其进行了性能检测与量程合理化分析,计算出不同载荷下传感器的力学传递效率。实验结果显示:该轮辐式压电六维力传感器各项性能参数指标良好,可以有效的完成六维力测量并且不存在耦合现象。