基于压电功能材料的超声电机作为一种新型概念的微特电机,拥有快速响应、断电自锁、结构紧凑和电磁兼容性好等诸多优点,在航空航天、光学成像系统、精密控制和武器装备等领域展现出广阔的应用前景。近年来,作者所在单位设计的超声电机在嫦娥系列空间探测器上的成功应用,填补了我国超声电机技术在航空航天领域的空白。借鉴超声电机在航空航天上的成功经验,本研究拟开展应用于深水环境的超声电机的设计与分析,解决现有水下机器人在深水狭隘环境中的可靠性和安全性等问题。到目前为止,国内外针对超声电机在水下的应用研究刚刚起步。取得的初步成果虽然为水下装备上的集成应用奠定了基础,但仍有许多关键技术问题需要解决。本课题以设计和研究应用于微型水下机器人驱动的超声电机为目标,开展了新型旋转型超声电机设计、电机动力学建模、新型水下推进器设计和多工作模式的球形水下机器人单元设计等工作,明确了水下环境对超声电机结构设计的特殊要求,为服役于水下环境的超声电机设计和使用提供了参考,同时为研制新一代高性能微型水下机器人提供了新的思路。本研究的主要内容和成果概括如下:1.以简化超声电机结构和提高电机转速为目标,提出了两款微型旋转超声电机及其改进式结构,分别对其进行了原理验证和和实验研究。通过新的结构设计,克服传统超声电机结构复杂度高、转速低的缺点。加工并组装原理样机,通过一系列特性实验,对电机的输出性能进行测试。2.利用经典传递矩阵法对环形弹性体的径向振动和扭转振动建立传递方程。结合压电本构方程,对环形压电单元分别建立了基于径向振动、扭转振动的机电耦合动力学模型。针对环形压电复合结构,建立了基于径向振动的机电耦合动力学模型。3.针对提出的新型模态转换式超声电机,利用传递矩阵法对定子结构各元素的振动传递方程、各相邻元素间的连接条件和定子整个压电系统的边界条件进行了描述。结合动力学建模方法,建立了电机定子的机电耦合动力学模型。通过相关特性实验,验证了该理论模型的有效性。4.提出了基于径向-扭转振动模态转换型超声电机驱动的微型水下推进器,借助有限元软件建立了推进器有限元模型,分析了水下环境对其振动特性的影响,包括对定子的特征频率、振幅以及驱动面质点位移-时间响应的影响。计算结果表明:水下环境对定子特征频率的影响要小于对定子的振幅的影响,其中定子工作模态下的特征频率下降了1.99 k Hz（下降幅度为2.62%）,振幅减小了4.1μm（下降幅度为35.3%）。水下实验结果表明:推进器谐振频率较空气中下降了2.4 k Hz（下降幅度为3.12%）,推进器水下最高转速为1200 r/min。5.以提出基于径向-扭转振动模态转换型超声电机驱动的微型水下推进器作为动力装置,构建一种具有自重构功能的球形水下机器人模型。不同机器人单元模型之间利用电磁场完成结构重组,可以完成水下一系列既定动作。水下实验结果表明:机器人单元模型最大运行速度可以达到80 mm/s,最大推力为4.6 m N。多个单元模型通过电磁场进行组合后,按照一定控制策略实现了水下“U”形轨迹游走、水下悬停、上浮、下潜和直线游走等不同运动模式。