微型仿生飞行机器人不仅是一种具有新颖移动方式的、复杂的智能机器人系统,而且是一种新概念的微型飞行器,无论在军事还是民用领域都有着广阔的应用前景.本文作为"仿生飞行机器人及其关键技术"课题的一部分,围绕微型仿生飞行机器人飞行机理及其仿生翅运动系统展开研究与探索.将各种飞行动物和微型飞行器的技术指标进行分析比较,指出昆虫和小鸟是微型仿生飞行机器人较好的仿生原型.总结了现有昆虫运动机理研究成果,解释了昆虫通过翅膀拍动产生高升力的非定常机理.对研究中存在的问题进行了探讨,指出目前没有具体的理论和经验公式能遵循,只有在仿生研究过程中进行不断地探索.分析比较了固定翼、旋翼和扑翼微型飞行器飞行方式的特点,指出低雷诺数下扑翼飞行具有更高的升力效率,是微型飞行器发展的趋势.微型仿生飞行机器人尺度效应分析表明,当尺寸减小时,仿生飞行更容易实现:通过共振能实现高频运动,微静电、电磁和压电驱动器都能满足功率需求.这为设计和研制微型仿生飞行机器人提供了理论依据.基于昆虫运动机理,对仿生翅进行了系统地理论分析和仿生机械设计.重点研究了仿生翅的柔性,提出采用空心和变刚度前缘梁和翅脉具有较好的强度质量比和柔性变形能力.探讨了仿生翅的加工方法,指出MEMS技术是仿生翅加工的发展趋势.提出拍式翅和洗式翅运动的概念,并分析比较了两者的特点.建立了拍式翅的运动学模型,推导出气动力的数值计算公式,理论分析和数值计算表明升力系数、面积和速度是影响升力的主要因素,由此提出控制翅表面空气流动、面积以及非对称拍动等多种实现方案.对悬停飞行洗式翅的运动学和气动力进行了研究,仿真结果表明迎角和转动相位对升力有很大影响,这与昆虫飞行机理中得出的结论一致.设计了以压电双晶片驱动、柔性机构放大的拍翅系统,并利用拉格朗日方程,研究和建立系统动力学模型.针对新型复合型柔性铰链进行理论分析,结果表明材料和长度是影响性能主要因素.研制了几种以弹性金属片作为柔性铰链的拍动机构,实验结果表明复合柔性铰链具有较好的机械性能,适于在微小型仿生飞行机器人中使用.采用自行研制的气动力测量实验平台,对各种具有不同特性的仿生翅进行了实验研究和理论验证.实验结果表明,各种翅型都能产生一定的升力,其中柔性翅具有较好的运动和气动性能,并且柔性和拍动频率是影响升力的主要因素.通过多种方案比较,研制出大比例仿生飞行机器人试验样机,并进行了悬停和前飞实验,为最终试飞提供参考.