本课题基于驱动系统结构紧凑性、高功率密度以及系统系列化设计的便利性等设计理念,设计了一种结构对称性高、体积微型化,并以球壳结构作为电机定子结构的多自由度超声电机。首先,对多自由度超声电机的国内外研究现状进行了分析,设计了一种球型定子多自由度超声电机,提出了电机定子结构和电机动子结构方案,确定了电机工作模态为偏摆振动模态,并通过数学方法验证了8个驱动足的协同驱动性。电机定子采用压电陶瓷球壳结构,并在压电陶瓷球壳表面均匀粘贴8个驱动足。其中,压电陶瓷球壳整体沿球径厚度方向极化,将压电陶瓷球壳划分成6个电极区域和1个非电极区域,6个电极区域从三个相互正交的方向激励出三个相互正交的偏摆振动模态,并且这三个相互正交的偏摆振动模态为同型模态,避免了多自由度超声电机异型模态频率简并的问题。电机动子结构采用两个半球壳结构,通过拉伸弹簧连接的方式对电机施加并调节预紧力,并采用销孔配合方式对两个半球壳进行定位。电机动子惯性负载的调节通过增减质量块的方式来实现。其次,采用了有限元的方法对球型定子多自由度超声电机进行仿真分析。利用模态分析搜索所设计的工作模态,确定了其振型和对应的模态频率;通过谐响应分析,获得电机的阻抗特性曲线,进而分析计算电机的机电耦合系数和机械品质因数,并对电机的性能进行预估;通过瞬态分析,提取8个驱动足末端振动轨迹,结果显示均为旋向相同的椭圆轨迹,验证各驱动足具备驱动的协同一致性,计算并分析了驱动轨迹在不同激励条件下的变化规律及其对驱动效果的影响。最后,针对电机球型定子的球壳结构,改进了电机动子结构方案,设计了电机定子的支撑结构,并制作了球型定子多自由度超声电机的样机。为了测试球型定子多自由度超声电机的机械输出特性,设计了球型定子多自由度超声电机的机械输出特性测试平台。测得球型定子多自由度超声电机在激励电压幅值为100V、频率为31.7k Hz、预紧力为8N时,电机在x轴方向、y轴方向和z轴方向的最大空载转速分别为200r/min、198r/min、250r/min,最大负载转矩分别为10.8 m N·m、11.0 m N·m、12.3 m N·m。