세계에서 가장 빠른 루빅큐브 풀이 로봇 내부

학생들이 만든 루빅큐브 세계 신기록 기계. 사진: NVCC .

퍼듀 대학교 학생들이 최근 직접 설계한 로봇으로 루빅큐브를 단 0.103초 만에 푸는 기네스 세계 기록을 세웠습니다. 이는 다른 로봇이 세운 이전 기록보다 세 배 빠른 속도입니다.

이 기록은 더 빠르게 움직이는 로봇에 의해 달성된 것이 아닙니다. 학생들은 속도가 빠르지만 해상도가 낮은 카메라 시스템, 내구성을 위해 특별히 제작된 루빅큐브, 그리고 속공 전문가들 사이에서 인기 있는 특수 풀이 기법을 결합했습니다.

경쟁사와의 주요 차이점

루빅스 큐브 로봇 레이스는 2014년에 시작되었는데, 당시 레고 마인드스톰 키트로 제작되고 삼성 갤럭시 S4로 구동되는 로봇이 단 3.253초 만에 큐브를 맞혔습니다. 2024년 5월, 일본 미쓰비시 전기 엔지니어들은 0.305초 만에 큐브를 맞추는 로봇으로 세계 기록을 세웠다고 발표했습니다.

로봇의 푸는 시간을 0.5초 미만으로 줄이기 위해 연구팀은 레고 부품을 폐기하고 산업용 모터와 같은 최적화된 부품으로 교체했습니다. 하지만 0.103초라는 목표를 달성하기 위해 퍼듀 연구팀은 로봇이 루빅큐브의 셔플을 "보는" 속도를 조정했습니다.

스피드 솔버는 타이머가 시작되기 전에 큐브를 관찰할 수 있습니다. 하지만 타이머는 로봇이 각 면의 색깔 있는 사각형의 위치를 파악하는 데 걸리는 시간도 고려합니다.

학생들은 720x540픽셀 해상도의 고속 Flir 머신 비전 카메라 두 대를 정육면체의 양쪽 모서리에 배치했습니다. 각 카메라는 정육면체의 세 면을 단 10마이크로초 동안 동시에 관찰할 수 있었습니다.

로봇의 초고속 색상 인식 기술. 사진: NVCC.

기존 카메라는 센서의 데이터를 처리하여 디지털 이미지로 변환하는 데 여전히 시간이 필요합니다. 그러나 학생들이 개발한 로봇 '퍼듀빅 큐브(Purdubik's Cube)'는 이미지 처리 단계를 완전히 생략하는 맞춤형 이미지 인식 시스템을 사용합니다.

이 시스템은 각 카메라가 촬영한 프레임에서 매우 작은 영역(128x124픽셀)에 초점을 맞춰 처리해야 하는 데이터 양을 줄입니다. 원시 센서 데이터는 고속 색상 감지 시스템으로 직접 전송되며, 이 시스템은 훨씬 더 작은 샘플 영역의 RGB 값을 사용하여 기존 방식이나 AI보다 빠르게 색상을 판별합니다.

이 방법은 불안정하지만 팀의 전제 조건은 충족할 수 있습니다. "정확도가 90%에 불과하더라도 충분히 좋습니다. 우리에게 정말 필요한 것은 속도입니다."라고 팀원 중 한 명인 파트로하이는 말했습니다.

전체 시스템을 최적화하세요

파트로하이는 이전에 기록을 경신한 로봇들은 대개 한 가지 주요 요소를 개선했다고 말했습니다. MIT 학생팀의 로봇(2018)은 고성능 산업용 하드웨어 사용에 집중했습니다. 미쓰비시 전기팀은 루빅큐브 각 면의 회전을 최적화하도록 설계된 특수 전기 모터를 선택했습니다.

한편, 퍼듀 연구팀은 카메라, 이미지 처리, 하드웨어부터 풀이 알고리즘에 이르기까지 전체 시스템을 최적화하기 위해 기성 소프트웨어를 선택했습니다. 로봇을 위한 루빅큐브 풀이 알고리즘인 엘리아스 프란타르의 Rob-Twophase를 사용하여 두 개의 루빅큐브 면을 동시에 회전하는 것과 같은 특수 기능을 활용할 수 있었습니다.

연구팀은 또한 큐브의 한쪽 면을 먼저 회전시킨 후 반대쪽 면을 수직으로 회전시키는 기법을 활용했습니다. 이 방법은 시간을 크게 절약할 수 있지만, 타이밍이 맞지 않거나 너무 강한 힘이 가해지면 큐브가 손상되거나 깨질 위험이 있습니다. 따라서 학생들은 이 기법을 사용하여 큐브가 힘을 잘 견디고 원활하게 작동하도록 맞춤 제작해야 했습니다.

세계 루빅스 협회(WCA) 규칙에 따라, 참가자는 루빅스 큐브를 직접 제작할 수 있습니다. 단, 큐브는 회전이 가능하고 일반 큐브처럼 작동하며, 각 면에 9개의 색깔 정사각형이 있고, 6개의 면에는 6가지 색상이 있습니다. 플라스틱 이외의 재질을 사용할 수 있지만, 색상이 있는 부분은 모두 동일한 표면 질감을 가져야 합니다.

이와 같은 모터 6개가 나머지 면에 부착되어 루빅큐브를 회전시키는 역할을 맡게 됩니다. 사진: NVCC

내구성을 높이기 위해 퍼듀 팀은 큐브의 내부 구조를 더욱 튼튼한 SLS 나일론 플라스틱으로 제작된 맞춤형 3D 프린팅 버전으로 업그레이드했습니다. 윤활과 장력 증가는 오버슈트를 줄이고 제어력을 향상시키는 데에도 도움이 됩니다.

Purdubik's Cube는 큐브 각 면의 중앙에 위치한 금속 축에 부착된 6개의 모터를 사용합니다. 여러 가지 방법을 시험해 본 후, 연구팀은 로봇이 정지할 때 각 면을 정확하게 정렬할 수 있는 사다리꼴 모션 시스템을 채택했습니다.

파트로하이는 푸르두빅이 큐브를 플라스틱이 아닌 더 내구성 있는 소재로 만들었다면 자신의 기록을 경신할 수 있었을 것이라고 생각합니다. "전용 큐브를 탄소 섬유 복합 소재로만 만들었다면 더 빠른 속도를 낼 수 있었을 거라고 생각합니다. 시간을 계속 단축할 수도 있었을 겁니다."라고 그는 말했습니다.

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