微型扑翼飞行机器人,又称微型扑翼飞行器,通过模仿自然界飞行鸟类和昆虫运动机理而实现扑翼飞行,是目前研究的热点。仿生学和空气动力学研究均表明,对于鸟类和昆虫级别的飞行器,扑翼飞行要优于传统的固定翼和旋翼飞行,因此在民用和军用领域有着广阔的应用前景。首先简要介绍了微型扑翼飞行的研究背景,包括微型飞行器的概念、技术标准以及其可观的应用前景;阐述了微型扑翼飞行器的国内外研究现状,对目前和将来研究中需要解决的一些关键技术问题进行了探讨。接着,对昆虫翅膀的几何结构特性、运动机理和空气动力学特性进行了分析,重点探讨了昆虫飞行过程中的几何和运动学参数以及扑翼飞行的一些非定常空气动力学机制,为扑翼机构设计和翼的研究打下基础。在以上研究的基础上,通过对两个自由度扑翼运动的方案分析,确定采用曲柄摇杆机构和凸轮机构分别实现扑翼运动中的拍动和转动,由此设计出一种新型的两自由度扑翼机构。通过扑翼机构的运动学和尺度律分析,确定了机构的基本参数,并用UG绘制了三维模型。运动仿真结果表明,扑翼机构能很好地实现所需运动。采用有限元方法,分别对飞蛾、蝉、蜜蜂三种昆虫翅膀进行了建模和模态分析。有限元计算结果表明,外形与翅脉布局设计合适的仿生翼可以满足采用共振激励的扑翼机构对翅翼振型的要求,同时仿生翼最大弦长的位置对一二阶模态频率差有较大影响。最后研制了包括电机、减速机构、扑翼机构和翼在内的扑翼装置,并进行了实验研究。运动实验结果表明,设计的扑翼机构能够实现所需的两个自由度运动,与仿真结果一致。机械效率和颤振性实验研究结果表明,整个扑翼装置的机械效率高,颤振很小,有利于扑翼飞行。