扑翼飞行器是一种模仿鸟类、蝙蝠或昆虫,通过翅膀拍动产生升力和推力的飞行器,相比于固定翼和旋翼飞行器,具有体积小、机动性强、容易隐蔽等优点,因此成为业界研究的热点。本文从仿生学角度出发,研究能较好模仿翅膀运动的扑翼机构,分析其气动特性并进行实验研究,为微型扑翼飞行器的发展提供良好思路和有益补充。论文主要研究成果如下:首先,从仿生学角度分析了鸟类和昆虫的飞行机理、飞行特征及其高升力机制,对比了二者之间的差别,分析了翼尖轨迹差异及其气动影响,为扑翼飞行器设计提供生物学依据,并对翅膀运动学参数进行定义。基于对现有扑翼机构的分析,结合机构学综合与仿生学目标,提出一种可通过单驱动实现仿生多维扑翼运动的空间RURS机构。采用Denavit–Hartenberg参数法建立了空间RURS机构的运动学模型,之后以三维扑动角度为目标函数,利用遗传算法和非线性规划算法对机构进行了优化设计,得到了能够较好地实现空间“8”字型翼尖轨迹的扑翼机构。建立了机构的ADAMS仿真模型,通过多体动力学仿真验证了运动学理论计算的正确性。基于计算流体力学方法对具有空间“8”字型翼尖轨迹的翅膀运动进行了气动特性分析,以FLUENT软件为仿真平台,建立了仿昆虫翅膀刚性模型并确立运动方程,利用动网格技术完成扑翼运动的三维仿真过程。研究结果表明:空间“8”字型翼尖轨迹在悬停状态下能持续产生正升力,同时刚性翼下的空间“8”字运动也能产生前缘涡等高升力机制。分析了前飞状态下扑翼频率、扑动平面角和翼展对气动特性的影响,为样机研制提供指导。最后,基于仿生学尺度律预估了翅翼结构等参数,并完成驱动机构、柔性翅膀和飞行器整体结构的设计,利用3D打印等加工手段完成样机研制。采用高速摄像系统和三维力传感器搭建实验平台,对原理样机进行了实验测试。讨论了扑翼频率、风速等参数对扑翼样机升推力特性的影响,为扑翼飞行器的发展提供了参考。