從古至今，由冷兵器到槍枝彈藥，人們在武器的精度上精益求精，武器結構的設計越來越優異，也產生了五花八門的發射機構。
動畫片裡的槍戰
常見的發射機構有電磁炮、氣動發射、離心發射和彈簧槍等等。
其中，電磁炮需要通電，讓內部迴路形成一個磁場，磁場對迴路產生斥力，金屬彈丸在斥力的作用下，實現發射。
電磁炮發射原理
氣動發射是氣泵將氣體壓縮，並且由氣瓶收集起來，然後再瞬間釋放氣體，使氣體在管道中將彈丸推動出去，實現發射。
氣動發射原理
其他發射系統在此不展開講解，如果想要學習更多發射系統，可查閱書籍：
《武器發射系統設計概論》 作者：張相炎 出版社：國防工業出版社
槍的動力來自於火藥的燃燒膨脹，電磁炮的動力來源是電磁，但它們有的不安全，在 RoboMaster 比賽上被禁止使用，有的自身不適用於比賽。
比賽中，大多數人會選擇摩擦輪發射，因為它設計簡單，發射穩定，成本相對比較低，適用於機器人競賽。
比賽中彈丸四濺
摩擦輪發射系統總體結構如下：
發射系統
系統的上方是彈倉，用於儲存發射所需的彈丸；彈倉下方有一個撥盤，負責將彈丸撥進供彈鏈路，每轉一格，就撥進一顆彈丸。彈倉相當於槍的彈夾，撥盤就相當於板機。
彈倉
撥盤轉動
彈丸被撥至供彈鏈路，滑落到摩擦輪上，兩個高速轉動的摩擦輪擠壓彈丸，將它發射出槍管。摩擦輪相當於槍的火藥膨脹加速。
兩個摩擦輪實現發射
整體的發射流程如下：
發射流程
比賽中，發射系統是機器人攻擊的「矛」，十分關鍵。一個出色的摩擦輪發射系統是如何設計的呢？我們先從最頂部的彈倉說起。
彈倉用於裝載彈丸，但是它可不是隨便一個盒子就能充當，彈倉的設計對發射有很大的影響。
彈倉如果裝彈過多，會導致過度負重，使原先所調的參數失準，在瞄準射擊時，槍口產生抖動，影響瞄準的穩定性。因此，設計彈倉時需要考量最適裝彈量。
彈倉
彈倉的位置、形狀和目標最大載彈量都可以直接影響雲臺重心的分布，雲臺的重心越偏離雲臺電機軸，那雲臺電機的負載也會越大，從而影響響應速度。
電機軸
彈丸用光時，機器人需要補充彈丸，彈倉的設計也會影響補彈的效率。
比如下圖的連杆機構開啟彈倉，開蓋更加順滑，不容易卡住，並且有角度傾斜，方便將彈丸引入彈倉。
彈倉開啟
現代設計精良的步槍偶爾會出現卡殼的情況，扣下扳手卻無法發射。在機器人比賽中，同樣存在這種問題，觸發了發射，彈丸卻被卡住了。
撥盤設計不佳，是造成卡彈的一大原因。一般撥盤導致卡彈的情況有下面四種：
撥盤過高
撥盤過高，轉動的時候將彈丸擠壓在撥盤下方。
軸承過小
為了讓轉動更順暢，我們會在撥盤臂上設置軸承，如果軸承外徑小於撥盤臂的寬度，就相當於軸承過高，也會將子彈卡撥盤臂下方。
軸承
撥盤電機的控制
撥盤電機控制不好，導致一次性轉動角度過大或過小，彈丸無法被準確地送至管道口，被卡在管道口上，就像人要過旋轉門，結果被門夾住了，動彈不得。
彈丸堆積
由於撥盤在彈倉裡，彈丸會堆積在撥盤上，轉動一格時，多顆彈丸都想一起往下掉，導致卡彈。就像如果很多人爭著進一個門，就會這個門就會被堵住一樣。
在撥盤上，每個人都有不同的設計，每種設計都有巧妙之處，一般防止卡彈的方法在總體上分為兩種：
引導件
雖然不具備軸承，但是通過例如毛刷、3D列印件等引導件，保證彈丸順利進入管道，防止子彈堆積；再者依靠精準的位置環，使每次撥盤轉動的角度準確無誤，保證只有一顆子彈進入管道。
3D 列印件引導
毛刷引導
彈性結構設計
利用彈簧、扎帶、橡皮繩甚至滑塊機構等彈性結構設計，對子彈產生輔助下壓的作用，加上撥盤臂上的軸承，確保每次只有一顆子彈進入管道。
彈簧
如果你擁有完美的撥盤系統，卻還是會卡彈，那麼這可能是供彈鏈路設計上出問題了。
在發射機構（摩擦輪部分）與撥彈機構（撥彈部分）之間，有一條不可或缺的管道，叫做供彈鏈路，它的設計也極有講究。
供彈鏈路的位置
如果設計不好，在雲臺抬頭時，可能會導致彈丸無法接觸摩擦輪，停在了鏈路中，無法發射。之後雲臺再低頭時，雖然沒有點擊發射，但殘留的彈丸會滑到摩擦輪上，造成走火和誤發射。
雲臺抬頭
RoboMaster2017 賽季規定，機器人每秒射擊不能超過 5 發。實現每秒 5 發的方法一般是，每隔 200ms 點擊一次發射。如果鏈路設計不好，就容易導致有時每秒 4 發，而有時每秒 6 發，超過了射擊頻率就會受到懲罰。
將撥盤和摩擦輪設計在同一平面就可以很好地避免這個問題。
機器人第一視角 5 連發
但還有一個問題，假如彈丸依靠重力從撥盤落口下落到摩擦輪上，那下落的時間就取決於雲臺不同的俯仰角，是否每次恰好 200ms 觸碰一次摩擦輪，又要考究設計了。
並且，實現撥盤按照預期的時間間隔轉動，還需要比較複雜的調試。
綜合各種原因，想要實現 5 連發是很有難度的，所以很多人只能犧牲發射頻率來保證不違規，比如每秒只發射 2-3 次。
講完了供彈鏈路，接下來就是重頭戲——摩擦輪。
摩擦輪有兩個部分，外層與彈丸接觸，一般由質地較軟且表面摩擦力較大的材料製成，裡面是電機充當動力源。
矽膠摩擦輪
一對摩擦輪往不同的方向旋轉，彈丸從第一位置與摩擦輪接觸，被摩擦輪擠壓至第二位置完成加速，最終高速射出。
摩擦輪原理圖
摩擦輪的彈道很難做到非常穩定，也就是瞄準發射的時候會打歪。什麼因素會影響彈丸發射呢？
摩擦輪材質
1、矽膠摩擦輪
早期的摩擦輪材質為矽膠，但是摩擦輪在高速運轉時，與彈丸接觸的部分極易因離心力和摩擦而膨脹，若不用鋼線進行周向加固，經過長期摩擦，在切向力的作用下，矽膠輪就會容易脫落。
矽膠圈變形
2、聚氨酯摩擦輪
如何解決摩擦輪脫落這一問題呢？在製造行業中，有一種很重要的工藝叫膠輥工藝，它以金屬和其他材料為內芯，在外面覆上橡膠製成的輥狀物（甜甜圈就是一種輥狀物）。它能夠很好地將橡膠和金屬結合在一起，避免脫落。
而外覆橡膠的材質就是聚氨酯，由聚酯（或聚醚）與二異氰酸脂類化合物聚合而成，具有耐磨、耐撕裂、耐老化等優點，很適合作為比賽用的摩擦輪。
聚氨酯摩擦輪
並且，摩擦輪膨脹會造成劇烈振動，影響彈丸的速度與穩定性，聚氨酯的質地不容易造成膨脹。
除了這兩種，還有其他的摩擦輪材料，但由於摩擦輪長期與彈丸接觸，無論使用哪種材料，都會因為表面的磨損導致射擊精度的下降。這時就需要更換摩擦輪了。
其他因素
除了材質，摩擦輪還有其他因素影響彈道的準確度。
1、 尺寸和間距
如果摩擦輪的尺寸過大而間距過小，第一發彈丸就會受到很大的擠壓力來達成高射速，但同時摩擦輪受到的反作用力也會使自己轉速下降，導致第二顆彈丸的射速大大降低。
這個問題在當我們需要非常高射擊頻率時會表現得非常明顯，也是導致摩擦輪彈道不穩的重要原因之一。
2、 摩擦輪電機
驅動摩擦輪的電機扭力、轉動慣量越大，轉動越平穩，彈道也就更穩定，但力量大的電機相應的重量也會增大，如果發射機構的重量過大，就很難控制它迅速瞄準對手了。
3、 摩擦輪電調（電子調速器）
我們可以通過編碼器實時檢測摩擦輪的轉速並進行反饋，最後電調執行對轉速的控制，以此實現對摩擦輪轉速的檢測和控制。
有的電調內部算法更好，不需要通過反饋也能夠有效地控制電機轉速。嗯，也就是購買 DJI大疆創新 snail 的電調。
snail 電調
要實現彈道準確，除了機構設計還不夠，雲臺所使用的電機也決定了瞄準目標的準確度。
在射擊類的遊戲中，我們可以通過滑鼠控制槍口的方向來標準目標。機器人槍口同樣需要通過上下左右擺頭來瞄準目標，這些動作是由雲臺實現的。
機器人上的雲臺系統
雲臺的擺動需要電機（馬達）來提供動力，在以前，大多數 RoboMaster 比賽的選手會使用 RoboMaster 推出的 6025 雲臺電機。
6025 電機
普通的電機只會不加思考地亂轉，而 6025 能夠通過集成在電機內部傳感器，反饋機械角度和實際的轉矩電流測量值等信息，使得我們能夠將槍口穩定在一個角度上，並能夠快速、絲滑地轉動來瞄準對方。
相較其他帶減速箱的電機，這類電機直接驅動，不需經過傳動裝置，所以響應更加靈敏，使得操作手在操作時能有更好的手感。
在進一步改進之後，RoboMaster 推出了第二代電機，名為 6623，它的總體性能又提高了一步。
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綜合以上看出，要設計一款出色的摩擦輪發射系統其實不簡單，從彈倉、撥盤、鏈路、摩擦輪到電機，每種設計都有自己的特點和許多不容忽視的細節。只有不斷地優化，不斷地尋找 bug，才能設計出一款出色的發射裝置。相信在不久後的賽場上，又會有不少令人眼前一亮的設計出現。
本期作者
深圳大學 RobotPilots
RoboMaster 校機器人隊
志在遠方的領航者們
本文來自 RoboMaster 技術智囊團 RobotPilots，文章部分有修改。如果你也希望加入技術智囊團，請通過 robomaster@dji.com 聯繫我們。