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多自由度致动器是一种全新概念的致动器，其转子可以产生两个以上自由度的转动，提供了一种新型多自由度运动驱动方法，可以代替目前广泛使用的多自由度运动致动方法一由复杂机构与多个电机构成的机械系统。采用多自由度致动器可以有效的减小设备体积、降低设备重量并简化运动学逆解求解过程等。多自由度超声波电机是利用超声波电机原理来实现的多自由度运动的致动器，除具有多自由度致动器所具有的优点外，还具有超声波电机所特有的结构紧凑、低速时输出转矩大、静态保持力矩大、无电磁干扰等优点。本文研究面向微小型机器人应用的新型三自由度超声波电机，重点研究电机在实现多自由度运动过程中两个重要的能量转换过程。 通过结构形式分析比较，提出了一种基于平面内应变的三自由度超声波电机。该电机利用压电陶瓷的d31效应在定子内实现固有频率接近、振动方向垂直的一阶伸缩振动模态和两个平面内二阶弯曲振动模态，通过伸缩振动与弯曲振动的叠加实现了转子绕X轴和Y轴的转动；以90。相位差同时激励两个平面内一阶弯曲振动模态，实现了转子绕Z轴的转动。同传统的采用压电陶瓷d33效应的多自由度超声波电机相比，该电机结构更加简单、更易于加工以及实现微型化。采用育限元软件ANSYS建立了电机的模型，对电机进行了分析、设计，实现了电机样机。 电机的电一动致动特性体现了电机将交变激励信号的电能转换为定子质点微小振动的机械能的能力。而通过求取定子在外部激励信号作用下的响应能够确定定子末端质点运动与激励信号之间的关系，因此本文在经典层合板理论以及Euler-Bernoulli梁理论的基础上，结合压电方程建立定子在激励信号作用下的运动方程，得到了定子受迫振动的解析解，并将其用于定子末端接触圆上质点运动轨迹分析，从理论上对所提出的三自由度超声波电机的运行机理进行了分析。 电机通过定子与转子间的摩擦接触将定子质点微小振动能量转换为转子宏观转动能量。本文将定子与转子间的接触圆进行离散化，分析了定子与转子间的摩擦接触。在三维点接触模型的基础上，得到了接触圆上各点所受的法向力、摩擦力、粘弹力等。然后，综合考虑了接触过程中出现的滑动与粘滞，建立了电机的力传递模型。通过对模型进行计算仿真，得到了电机的机械特性曲线、预测了电机的输出性能以及分析了各参数对电机性能的影响。 为全面测试新型三自由度超声波电机样机的性能为其设计了驱动电路并建立实验系统。驱动电路基于直接数字频率合成嚣(DDS)原理，利用在FPGA元件实现的DDS阵列产生四路正弦激励信号，并采用高压运算放大器进行功率放大，从而实现各路驱动信号幅值和频率及驱动信号之间的相位的独立调整。通过测量电机定子的静态输入导纳、定子振动速度频谱得到了电机的工作频率；通过测量定子末端质点运动轨迹来证实定子末端质点的椭圆运动以及电机的工作原理。最后，测定了电机样机的在三个轴方向上的调节特性与机械特性，结果表明该电机可以在三个互相垂直的转轴上产生转动。