A világ leggyorsabb Rubik-kockát kirakó robotjának belsejében

Egy diákcsoport világrekordot döntő Rubik-kocka kirakó gépe. Fotó: NVCC .

Egy csoport Purdue Egyetemi diák nemrégiben új Guinness-világrekordot állított fel egy saját tervezésű robottal, mindössze 0,103 másodperc alatt kirakva egy Rubik-kockát. Ez háromszor gyorsabb, mint a korábbi rekord, amit egy másik robot állított fel.

A rekordot nem egy gyorsabban mozgó robot érte el. A diákok egy nagy sebességű, de alacsony felbontású kamerarendszert, egy tartósságra szabott Rubik-kockát és egy speciális, a gyorsasági kirakós szakemberek körében népszerű kirakási technikát kombináltak.

Főbb különbségek a versenytársaktól

A Rubik-kockát kirakó robotok építéséért folytatott verseny 2014-ben kezdődött, amikor egy Lego Mindstorms készletből és egy Samsung Galaxy S4 telefonnal épített robot mindössze 3,253 másodperc alatt megoldotta a kockát. 2024 májusában a japán Mitsubishi Electric mérnökei azt állították, hogy ők tartják a világrekordot egy robottal, amely 0,305 másodperc alatt oldotta meg a kockát.

Hogy a robot idejét fél másodperc alá csökkentsék, a csapat elhagyta a Lego alkatrészeket, és ehelyett optimalizált részeket, például ipari motorokat használt. De hogy elérjék a 0,103 másodperces határt, a Purdue csapata finomhangolta azt a sebességet, amellyel a robotjuk „látta” a Rubik-kocka keverését.

A sebességmegoldó megfigyelheti a kockát az időzítő indulása előtt. Az időzítő azonban figyelembe veszi azt az időt is, amely alatt a robot azonosítja az egyes színes négyzetek helyzetét a lapokon.

A diákok két nagy sebességű, mindössze 720x540 pixeles felbontású Flir gépi látó kamerát használtak, amelyeket a kocka két ellentétes sarkában helyeztek el. Mindkét kamera egyetlen, mindössze 10 mikroszekundumos felvételen keresztül képes egyszerre megfigyelni a kocka három lapját.

A robot rendkívül gyors színfelismerő technológiája. Fotó: NVCC.

A hagyományos kameráknak továbbra is időre van szükségük az érzékelőből érkező adatok feldolgozásához és digitális képpé alakításához. A Purdubik's Cube, ahogy a diákok robotját nevezik, azonban egy egyedi képfelismerő rendszert használ, amely teljesen kihagyja a képfeldolgozási lépést.

A rendszer az egyes kamerák által rögzített képkockán belül egy nagyon kis területre (128x124 pixel) fókuszál, csökkentve a feldolgozandó adatmennyiséget. A nyers érzékelőadatokat közvetlenül egy nagy sebességű színérzékelő rendszerbe küldi, amely még kisebb mintavételi területek RGB-értékeit használja fel a színek gyorsabb meghatározásához, mint a hagyományos módszerek vagy a mesterséges intelligencia.

Ez a módszer, bár kevésbé stabil, megfelelhetett a csapat elsődleges követelményének. „Még ha a pontosság csak 90% lenne, az is elég jó lenne. Amire igazán szükségünk volt, az a sebesség volt” – mondta Patrohay, a csoport egyik diákja.

Optimalizálja a teljes rendszert

Patrohay elmondta, hogy minden korábbi rekorddöntő robot általában egy kiemelkedő elemen fejlődött. Az MIT hallgatói csapatának robotja (2018) a nagy teljesítményű ipari hardverek használatára összpontosított. A Mitsubishi Electric csapata egy speciális villanymotort választott, amelyet úgy terveztek, hogy optimalizálja az egyes Rubik-kocka lapjainak forgását.

Eközben a Purdue csapata kész szoftvereket választott a teljes rendszer optimalizálására, a kamerától, a képfeldolgozáson és a hardveren át a megoldó algoritmusig. Elias Frantar Rob-Twophase-át használták, amely egy kifejezetten robotokhoz készült Rubik-kocka megoldó algoritmus, lehetővé téve számukra, hogy kihasználják az olyan speciális képességeket, mint például két Rubik-lap egyidejű forgatása.

A csapat egy olyan technikát is alkalmazott, amely lehetővé tette számukra, hogy a kocka egyik oldalát elkezdjék forgatni, mielőtt befejeznék a másik oldal merőleges forgatását. Ez a módszer sok időt takarít meg, de azzal a kockázattal is jár, hogy a kocka megsérül, vagy akár összetörik, ha az időzítés rossz, vagy túl nagy erőt alkalmaznak. Ezért a diákoknak a kockát is úgy kellett kialakítaniuk, hogy ellenálljon az erőnek, és zökkenőmentesen működjön ezzel a technikával.

A Rubik Világszövetség (WCA) szabályai szerint a résztvevők testreszabhatják saját Rubik-kockájukat, amennyiben az továbbra is forgatható és szabványos kockaként funkcionál, minden oldalán 9 színes négyzettel, és 6 oldallal, 6 különböző színűvel. A játékosok a műanyagon kívül más anyagokat is használhatnak, de a színes részeknek azonos felületi textúrájúaknak kell lenniük.

A fennmaradó oldalakhoz 6 ilyen motort fognak rögzíteni, amelyek feladata a Rubik-kocka forgatása lesz. Fotó: NVCC.

A tartósság növelése érdekében a Purdue csapata a kocka belső szerkezetét egy egyedi, 3D nyomtatású, erősebb SLS nejlongyantából készült változattal fejlesztette. A kenés és a megnövelt feszültség szintén segít csökkenteni a túllövést és javítja az irányíthatóságot.

Purdubik kocka hat motort használ, amelyek a kocka minden lapjának középpontjában elhelyezkedő fémtengelyhez vannak rögzítve. Több különböző módszer tesztelése után a csapat egy trapéz mozgásrendszer mellett döntött, amely lehetővé teszi a robot számára, hogy pontosan beállítsa az egyes lapokat megálláskor.

Patrohay úgy véli, Purdubik megdönthette volna saját rekordját, ha a kocka tartósabb anyagból készült volna, nem pedig műanyagból. „Ha egy külön kockát teljes egészében szénszálas kompozitból készítettünk volna, szerintem nagyobb sebességet is tudott volna kezelni. Tovább lehetett volna csökkenteni az időt” – mondta.

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