自然界中的昆虫通过拍动翅膀在空中飞行,表现出很强的敏捷性、机动性和稳定性,并且可以产生自身重量几倍的升力。在过去的几十年里,很多科学家和工程师一直在探索昆虫飞行的气动力机理,并尝试研制仿昆虫扑翼微飞行器(FMAV)。仿昆虫FMAV继承了昆虫的诸多优势,可以完成很多大型飞行器无法完成的任务,比如在狭窄空间中进行搜索、救援、监视、探测和侦察等。本文围绕仿昆虫FMAV主要开展了如下工作:通过研究双翅目昆虫的飞行机理,基于叶素法建立了昆虫扑翼飞行的准稳态气动力模型。使用准稳态气动力模型分析了仿昆虫FMAV单个翅膀产生的气动力和气动力矩。使用虚功原理推导了仿昆虫FMAV翅膀的两自由度动力学常微分方程组,并进行了数值求解。通过研究昆虫扑翼飞行时肌肉、背甲和翅膀的运动,系统地提出了一种仿昆虫FMAV的零部件设计和制造方法。该方法充分考虑了微型零部件的结构设计、纤维分布、空间布置、电气隔离、加工精度和装配关系等:压电驱动器的设计考虑了电气隔离和装配关系;电磁驱动器的设计考虑了空间布置和装配关系;传动机构和机身的设计考虑了加工精度和装配难度;翅脉的纤维方向进行了合理的布置,使得翅膀拥有高的强度和刚度。利用这种方法,本文成功研制出了两种仿昆虫FMAV,均可以产生足够的升力实现起飞。其中,压电驱动仿昆虫FMAV重84 mg,翼展35mm,在100 Hz的拍打共振频率下可以产生约±60°的拍打角度。电磁驱动仿昆虫FMAV重80 mg,翼展35mm,翅膀拍打频率80 Hz,拍打角度约±70°。除此之外,针对仿昆虫FMAV,本文还提出了一种一体化的设计和制造方法。该方法将仿昆虫FMAV的大部分零部件(特别是有装配关系的零部件)集成在单片材料上设计和制造,避免了零部件之间的装配,从而减少了手工过程的误差。通过使用该方法,本文研制出了重80 mg的一体化电磁驱动仿昆虫FMAV,并成功实现了起飞。针对微尺度和高频率的仿昆虫FMAV,本文搭建了零部件和整机的系统级测试平台,对零部件和整机的性能进行了测试。通过搭建基于NI-Labview的虚拟仪器平台,实现了多通道同步信号发生和数据采集。通过搭建驱动器的驱动和测试平台,实现了对压电驱动器和电磁驱动器的驱动及性能指标的测试。使用双目高速相机配合运动分析软件,成功测试了电磁驱动仿昆虫FMAV的翅膀三维运动规律。通过设计高灵敏度、高分辨力、高带宽的传感器,实现了仿昆虫FMAV升力的实时测量。总之,本文从仿生学原理出发,完成了昆虫扑翼飞行的气动力建模,系统地开展了仿昆虫FMAV的设计、制造和测试研究,并用实验手段验证了本文中设计理论、加工方法和装配手段的适用性和可行性,为将来实现仿昆虫FMAV的自主飞行提供了理论依据、设计思想和技术手段。