在一些特殊场合中,伸展机构除被要求完成伸展功能之外,还期望其能带动被伸展机构旋转。本文以压电超声电机的研究为核心,提出可旋转式套筒伸展机构,并利用压电超声电机力矩密度大、定位精度高和断电自锁等特点,为该种伸展机构设计出了两自由度驱动器。本文根据现有压电超声电机的种类与特点,并结合伸展机构的实际需求,首先确定了所设计的两自由度压电超声电机采用模态复合的工作方式,完成了可旋转式套筒伸展机构及其驱动器的原理设计。基于原理设计确定了压电超声电机采用夹心式、单足驱动和两端夹持的构型;通过理论分析,确定了压电超声电机的振动模态组合方式为一个偶数阶纵振和两个奇数阶弯振;进一步设计了其结构形式,包括压电陶瓷的布置及极化方向排布,其中一组压电陶瓷被设计为纵弯复用,可同时或分别激励出压电超声电机的弯振和纵振,因而所设计的压电超声电机能够仅以单梁结构实现两自由度驱动;然后,通过描述压电超声电机驱动足椭圆振动轨迹的形成过程,分析了压电超声电机的致动原理;并基于两自由度压电超声电机的结构和驱动方式,设计了可旋转式套筒伸展机构。为完成压电超声电机的结构设计,利用有限元分析软件进行模态分析,在初步确定的结构尺寸基础上,压电超声电机的模态组合方式被进一步确定为二阶纵振模态与两个相互正交的五阶弯振模态复合,以简并三者的谐振频率为目标,确定了压电超声电机的结构参数。通过瞬态分析,首先验证了压电超声电机的致动原理;然后对其止动特性进行分析,获得了其从振动稳态恢复到静止状态所需要的时间;并通过改变激励信号的相位角,对压电超声电机驱动足的椭圆振动轨迹进行了仿真分析,获得了其椭圆振动轨迹与相位角的关系,并验证了压电超声电机具有螺旋驱动的能力。为获得压电超声电机的实际驱动能力,制作了实验样机,并对其进行了阻抗特性测试和振型测试,分析了实际样机与仿真模型间的差异。进一步搭建了测试实验台,分别对压电超声电机在两个自由度上的输出特性进行了测试,包括频率和电压对其输出速度的影响;分析了在不同预压力和输出力下,压电超声电机输出的瞬态速度特性;分析了压电超声电机在步进驱动模式下,脉冲激励信号的数量和电压对其驱动步长的影响。制作了可旋转式套筒伸展机构的样机,并测试了激励信号相位角对压电超声电机输出能力的影响。实现结果表明,本文所提出的压电超声电机在两个自由度上的最大输出力可达24N,最大输出速度可达572mm/s,步进驱动的分辨率可达2μm,成功实现了可旋转式套筒伸展机构的两自由度驱动:直线驱动、旋转驱动和螺旋驱动。