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Multi-degree-of-freedom angular motors are used in numerous applications, such as robot articulations, omnidirectional wheels or the stabilization of optical components. Nevertheless, the classical method used to build such platforms limits the miniaturization of these devices. The use of a single spherical rotor is a solution which facilitates the realization of compact multi-degree-of-freedom angular systems. In this work, we propose a piezoelectric ultrasonic actuator adapted to the fabrication of compact spherical motors. The novelty of the developed actuator is the adapted contact surface that allows for an extended contact area and thus the complete guidance of a spherical rotor. The state of the art of single rotor spherical systems is presented along with a presentation of the theoretical considerations useful for the modeling and construction of ultrasonic motors. A complete model for the design of ultrasonic motors is also proposed, which describes the geometry of the actuator and its vibration modes, the analysis of the contact using a force transfer model and the electromechanical conversion using semi-analytical methods. An experimental prototype is proposed along with a characterization of the actuator performance. Experimental data is compared to the theoretical model and validates the proposed design method. Parameters such as electrical amplitude, preloading force and the extent of the contact area are analyzed. Although in this case we demonstrate the application of our design methodology to the specific case of a curved multi-mode actuator, the proposed methodology is general and can be adapted to the design of other ultrasonic systems.; Les moteurs à plusieurs degrés de liberté angulaire sont des systèmes utilisés dans de nombreuses applications avec par exemple la réalisation d'articulation de robots, de roues omnidirectionnelles ou la stabilisation de composants optiques. La méthode classiquement utilisée pour réaliser ce type de plateformes limite cependant la capacité de ces systèmes à être miniaturisés. Une solution facilitant la réalisation de systèmes compacts à plusieurs degrés de liberté angulaire est l'utilisation d'un unique rotor sphérique. Nous proposons dans ce travail, un actionneur ultrasonique piézoélectrique adapté à la fabrication de moteurs sphériques compacts. L'innovation de l'actionneur développé tient dans l'adaptation de sa surface de contact au rotor, ce qui permet d'obtenir une surface étendue de contact et un guidage total du rotor sphérique. L'état de l'art des différents systèmes d'actionnement sphérique à un seul rotor est proposé ainsi que l'ensemble des considérations théoriques utiles à la modélisation et la réalisation de moteurs ultrasoniques. Un modèle complet pour la conception d'actionneurs ultrasoniques est proposé, il décrit l'étude de la géométrie et de ses modes de vibration, l'analyse du contact par l'application d'un modèle de transfert de force et la conversion électromécanique par méthodes semi-analytiques. Un prototype expérimental est proposé ainsi qu'une caractérisation de ses performances. Les données obtenues sont comparées au modèle théorique et permettent de valider les méthodes de conception proposées. L'effet de l'amplitude de stimulation, de la précontrainte et de l'étendue du contact y sont notamment analysés. Bien qu'appliqué au cas particulier d'un actionneur multimode incurvé, la démarche employée est générale et peut-être adaptée à la réalisation d'autres systèmes ultrasoniques.

A dielectric actuator including an enclosure forming a cavity having a dielectric fluid therein, the enclosure having a base, a flexible membrane and a reversibly-stretchable membrane, and a pair of electrodes, one electrode of the pair of electrodes arranged at the flexible membrane, the other electrode arranged at the base, the pair of electrodes arranged to generate an electric field to an area of the cavity that is filled with the dielectric fluid, wherein when the electric field is generated between the pair of electrodes, an electrostatic pressure in the dielectric fluid causes the flexible membrane to move towards the base, reducing an initial volume of the area of the cavity, increases a pressure of the dielectric fluid inside the cavity, and causes the reversibly-stretchable membrane to bump out to an expanded state.