随着科学技术的迅速发展，传感器技术已经广泛应用于测量、控制及信息等领域，并且已成为高新技术的核心之一。在各种传感器中，六维力传感器以其能够检测空间六维力和力矩的全部信息而成为非常重要的一类传感器，并在航空航天、机器人、汽车制造、生物医疗等领域都有着广阔的应用前景。本文针对一种双层预紧式六维力传感器，主要对设计理论、标定实验以及传感器应用等方面进行深入的研究，为设计具有自主知识产权高精度的六维力传感器及其实用化奠定理论和实验基础。主要研究内容如下：提出一种双层预紧式多分支六维力传感器，应用凸分析理论确定了该传感器结构可行的分支数目；建立了双层预紧式多分支六维力传感器的数学模型，应用螺旋理论推导得到作用在传感器上的六维力与测量分支轴向力之间的静力映射矩阵解析表达式。系统推导了双层预紧式多分支六维力传感器静力分配问题。由于传感器为超静定结构，通过引入分支刚度加权广义逆等概念，求解了测量分支反作用力解的唯一形式，并对其物理意义进行讨论；将测量分支轴向力分解为两部分，其中一部分由作用在传感器上的外力产生，另一部分由初始预紧力产生；在此基础上，采用线性变换的方法确定了保证传感器结构稳定测量的初始预紧力大小；最后通过数值算例和实验验证了上述推导的正确性。提出一种基于设计量程来确定六维力传感器结构参数的优化方法，建立了传感器在量程范围内受力时最大测量分支轴向力与结构参数之间的关系，并绘制出最大轴向力随结构参数的变化曲线，得到当最大轴向力取得最小值时的结构参数；分别对双层预紧式七分支和八分支六维力传感器进行结构参数优化；依据所优化的结构参数，完成双层预紧式七分支六维力传感器的结构设计，研制出六维力传感器系统样机。研制了六维力传感器标定实验台，基于LabVIEW开发了六维力传感器静态标定软件；推导了六维力传感器线性度、重复性和回程误差性能指标的标定算法；采用多点加载法在量程范围内对传感器各维力/力矩进行逐级加载，经过对实验数据的处理，得到了传感器的各静态性能指标。实验结果表明该传感器具有较高的测量精度。对并联结构六维力传感器误差来源与提高精度的方法进行研究，分析了并联式六维力传感器测量分支轴向变形对其测量精度的影响；推导了传感器应用中受力端重力对其测量精度的影响及补偿算法；分析预紧力对预紧式六维力传感器测量精度的影响，并提出通过增大预紧力来减小测量误差的方法。应用螺旋理论和多自由度系统振动力学理论，建立了双层预紧式多分支六维力传感器的振动力学简化模型，推导得到了系统的运动微分方程；对系统运动微分方程进行求解，得到了系统在初始激励下响应的解析表达式，以及传感器的各阶固有频率值。采用阶跃信号响应法对传感器进行动态标定实验研究，得到了传感器的各阶固有频率，所得实验结果与理论计算、仿真结果一致。针对曲面跟踪和轴孔装配两种典型的运动模型，进行六维力传感器应用研究。考虑广义六维力的三种形式，指出六维力传感器实际测量中所存在的局限性；规划了两种运动模型的运动过程，并推导基于六维力传感器检测信息的反馈控制算法；搭建了机器人力控制实验平台，依据力反馈控制算法规划了控制流程并编写运动控制软件；最后完成了曲面跟踪和轴孔装配两种力反馈控制实验。