Im Inneren des schnellsten Zauberwürfel-Löseroboters der Welt

Die Weltrekord -Zauberwürfel-Lösemaschine einer Gruppe von Studenten. Foto: NVCC .

Eine Gruppe von Studenten der Purdue University hat kürzlich mit einem selbst entwickelten Roboter einen neuen Guinness-Weltrekord aufgestellt: Sie lösten einen Zauberwürfel in nur 0,103 Sekunden. Das ist dreimal schneller als der vorherige Rekord, der von einem anderen Roboter aufgestellt wurde.

Der Rekord wurde nicht von einem schnelleren Roboter erreicht. Die Studenten kombinierten ein Hochgeschwindigkeitskamerasystem mit niedriger Auflösung, einen auf Langlebigkeit ausgelegten Zauberwürfel und eine spezielle, unter Speed-Solving-Profis beliebte Lösungstechnik.

Wesentliche Unterschiede zu Wettbewerbern

Der Wettlauf um den Bau eines Zauberwürfel-Roboters begann 2014, als ein Roboter aus einem Lego-Mindstorms-Bausatz und einem Samsung Galaxy S4-Telefon den Würfel in nur 3,253 Sekunden löste. Im Mai 2024 behaupteten Ingenieure von Mitsubishi Electric in Japan, den Weltrekord mit einem Roboter zu halten, der den Würfel in 0,305 Sekunden löste.

Um die Zeit des Roboters auf unter eine halbe Sekunde zu drücken, verzichtete das Team auf Lego-Bauteile und verwendete stattdessen optimierte Teile wie Industriemotoren. Um die 0,103-Sekunden-Marke zu erreichen, optimierte das Purdue-Team die Geschwindigkeit, mit der ihr Roboter das Mischen des Zauberwürfels „sehen“ konnte.

Der Geschwindigkeitslöser kann den Würfel beobachten, bevor der Timer startet. Der Timer berücksichtigt jedoch auch die Zeit, die der Roboter benötigt, um zu erkennen, wo sich jedes farbige Quadrat auf den Flächen befindet.

Die Studierenden verwendeten zwei Hochgeschwindigkeits-Bildverarbeitungskameras von Flir mit einer Auflösung von nur 720 x 540 Pixeln, die an zwei gegenüberliegenden Ecken des Würfels platziert waren. Jede Kamera kann drei Seiten des Würfels gleichzeitig in einer einzigen Aufnahme von nur 10 Mikrosekunden beobachten.

Die extrem schnelle Farberkennungstechnologie des Roboters. Foto: NVCC.

Herkömmliche Kameras benötigen noch Zeit, um die Daten des Sensors zu verarbeiten und in ein digitales Bild umzuwandeln. Purdubiks Cube, wie der Roboter der Studenten heißt, verwendet jedoch ein spezielles Bilderkennungssystem, das den Bildverarbeitungsschritt vollständig überspringt.

Das System konzentriert sich auf einen sehr kleinen Bereich (128 x 124 Pixel) im von jeder Kamera erfassten Bild und reduziert so die zu verarbeitende Datenmenge. Rohe Sensordaten werden direkt an ein Hochgeschwindigkeits-Farberkennungssystem gesendet, das RGB-Werte aus noch kleineren Probenbereichen verwendet, um die Farbe schneller zu bestimmen als herkömmliche Methoden und KI.

Diese Methode war zwar weniger stabil, konnte aber die Hauptanforderung des Teams erfüllen. „Selbst eine Genauigkeit von nur 90 % wäre ausreichend. Was uns wirklich wichtig war, war Geschwindigkeit“, sagte Patrohay, ein Student der Gruppe.

Optimieren Sie das gesamte System

Patrohay sagte, dass jeder bisherige Rekordroboter in der Regel ein entscheidendes Element verbesserte. Der Roboter des MIT-Studententeams (2018) konzentrierte sich auf den Einsatz leistungsstarker Industriehardware. Das Team von Mitsubishi Electric entschied sich für einen speziellen Elektromotor, der die Rotation jeder Zauberwürfelfläche optimieren sollte.

Das Purdue-Team entschied sich für Standardsoftware, um das gesamte System zu optimieren – von der Kamera über die Bildverarbeitung und die Hardware bis hin zum Lösungsalgorithmus. Sie nutzten Elias Frantars Rob-Twophase, einen speziell für Roboter entwickelten Zauberwürfel-Lösungsalgorithmus. Damit konnten sie spezielle Fähigkeiten wie das gleichzeitige Drehen zweier Zauberwürfel nutzen.

Das Team nutzte außerdem eine Technik, die es ermöglichte, mit der Drehung einer Seite des Würfels zu beginnen, bevor die Drehung der anderen Seite senkrecht dazu abgeschlossen war. Diese Methode spart zwar viel Zeit, birgt aber auch das Risiko, den Würfel zu beschädigen oder sogar zu zerbrechen, wenn das Timing falsch ist oder zu viel Kraft angewendet wird. Daher mussten die Studierenden den Würfel zusätzlich so anpassen, dass er der Kraft standhält und mit dieser Technik reibungslos funktioniert.

Gemäß den Regeln der World Rubik's Association (WCA) können Teilnehmer ihren eigenen Zauberwürfel individuell gestalten, solange er sich weiterhin drehen lässt und wie ein Standardwürfel funktioniert, mit neun farbigen Quadraten auf jeder Seite und sechs Seiten in sechs verschiedenen Farben. Spieler können andere Materialien als Kunststoff verwenden, die farbigen Teile müssen jedoch die gleiche Oberflächenstruktur aufweisen.

Sechs solcher Motoren werden an den verbleibenden Seiten angebracht und sorgen für die Drehung des Zauberwürfels. Foto: NVCC.

Um die Haltbarkeit zu erhöhen, verbesserte das Purdue-Team die innere Struktur des Würfels durch eine kundenspezifische 3D-gedruckte Version aus einem stärkeren SLS-Nylonharz. Schmierung und erhöhte Spannung tragen außerdem dazu bei, das Überschwingen zu reduzieren und die Kontrolle zu verbessern.

Purdubiks Würfel verwendet sechs Motoren, die an einer Metallwelle befestigt sind, die auf jeder Seite des Würfels zentriert ist. Nach dem Testen verschiedener Methoden entschied sich das Team für ein trapezförmiges Bewegungssystem, das es dem Roboter ermöglicht, jede Seite beim Anhalten präzise auszurichten.

Patrohay glaubt, dass Purdubik seinen eigenen Rekord hätte brechen können, wenn der Würfel aus einem haltbareren Material als Plastik gefertigt worden wäre. „Hätte man einen speziellen Würfel komplett aus Kohlefaserverbundwerkstoff hergestellt, hätte er meiner Meinung nach höhere Geschwindigkeiten bewältigen können. Man hätte die Zeit weiter verkürzen können“, sagte er.

Quelle: https://znews.vn/ben-trong-robot-giai-rubik-nhanh-nhat-the-gioi-post1557575.html