Binnenin de snelste Rubik's kubus oplossende robot ter wereld

De recordbrekende Rubik's kubus-oplosmachine van een groep studenten. Foto: NVCC .

Een groep studenten van Purdue University heeft onlangs een nieuw Guinness World Record gevestigd met een robot die ze zelf hebben ontworpen: ze losten een Rubiks kubus op in slechts 0,103 seconde. Dit is drie keer sneller dan het vorige record van een andere robot.

Het record werd niet behaald door een sneller bewegende robot. De studenten combineerden een supersnel camerasysteem met een lage resolutie, een Rubik's Cube die speciaal is aangepast voor duurzaamheid, en een speciale oplossingstechniek die populair is onder professionals die snel oplossingen zoeken.

Belangrijkste verschillen met concurrenten

De race om een robot te bouwen die een Rubik's Cube kon oplossen begon in 2014, toen een robot, gebouwd met een Lego Mindstorms-kit en een Samsung Galaxy S4-telefoon, de kubus in slechts 3,253 seconden oploste. In mei 2024 claimden ingenieurs bij Mitsubishi Electric in Japan het wereldrecord in handen te hebben met een robot die de kubus in 0,305 seconden oploste.

Om de tijd van de robot onder de halve seconde te krijgen, liet het team Lego-onderdelen links liggen en gebruikte in plaats daarvan geoptimaliseerde onderdelen zoals industriële motoren. Maar om de 0,103 seconde te halen, paste het Purdue-team de snelheid aan waarmee hun robot de beweging van de Rubik's Cube kon "zien".

De snelheidsmeter kan de kubus observeren voordat de timer start. De timer houdt echter ook rekening met de tijd die de robot nodig heeft om te bepalen waar elk gekleurd vierkant zich op de vlakken bevindt.

De studenten gebruikten twee snelle Flir machine vision-camera's met een resolutie van slechts 720x540 pixels, geplaatst op twee tegenoverliggende hoeken van de kubus. Elke camera kan gelijktijdig drie vlakken van de kubus observeren in één opname van slechts 10 microseconden.

De extreem snelle kleurherkenningstechnologie van de robot. Foto: NVCC.

Conventionele camera's hebben nog steeds tijd nodig om de gegevens van de sensor te verwerken en om te zetten in een digitaal beeld. Purdubiks Cube, zoals de robot van de studenten heet, maakt echter gebruik van een speciaal beeldherkenningssysteem dat de stap van de beeldverwerking volledig overslaat.

Het systeem focust op een zeer klein gebied (128x124 pixels) in het frame dat door elke camera wordt vastgelegd, waardoor de hoeveelheid data die verwerkt moet worden, wordt beperkt. Ruwe sensordata worden rechtstreeks naar een supersnel kleurdetectiesysteem gestuurd dat RGB-waarden van nog kleinere samplegebieden gebruikt om kleuren sneller te bepalen dan conventionele methoden en AI.

Deze methode, hoewel minder stabiel, kon wel aan de belangrijkste eis van het team voldoen. "Zelfs als de nauwkeurigheid slechts 90% was, zou dat voldoende zijn. Wat we echt nodig hadden, was snelheid", aldus Patrohay, een student in de groep.

Optimaliseer het gehele systeem

Patrohay zei dat elke eerdere recordbrekende robot meestal op één belangrijk punt verbeterde. De robot van het MIT-studententeam (2018) was gericht op het gebruik van hoogwaardige industriële hardware. Het Mitsubishi Electric-team koos voor een gespecialiseerde elektromotor, ontworpen om de rotatie van elk Rubiks kubusvlak te optimaliseren.

Ondertussen koos het Purdue-team voor kant-en-klare software om het hele systeem te optimaliseren, van de camera, beeldverwerking, hardware tot het oplossingsalgoritme. Ze gebruikten Elias Frantars Rob-Twophase, een Rubik's Cube-oplossingsalgoritme speciaal voor robots, waardoor ze konden profiteren van speciale mogelijkheden, zoals het tegelijkertijd roteren van twee Rubik's-vlakken.

Het team gebruikte ook een techniek waarmee ze één zijde van de kubus konden laten roteren voordat ze de andere zijde loodrecht daarop konden roteren. Deze methode bespaart veel tijd, maar brengt ook het risico met zich mee dat de kubus beschadigd raakt of zelfs breekt als de timing verkeerd is of er te veel kracht wordt uitgeoefend. Daarom moesten de studenten de kubus ook aanpassen om de kracht te weerstaan en soepel met deze techniek te kunnen werken.

Volgens de regels van de World Rubik's Association (WCA) mogen deelnemers hun eigen Rubik's Cube samenstellen, zolang deze maar kan draaien en functioneren als een standaardkubus, met 9 gekleurde vierkanten per zijde en 6 zijden met 6 verschillende kleuren. Spelers mogen andere materialen dan plastic gebruiken, maar de gekleurde onderdelen moeten dezelfde oppervlaktetextuur hebben.

Aan de overige zijden worden 6 motoren zoals deze bevestigd, die de Rubiks kubus moeten laten draaien. Foto: NVCC.

Om de duurzaamheid te vergroten, heeft het Purdue-team de interne structuur van de kubus verbeterd met een aangepaste 3D-geprinte versie, gemaakt van een sterkere SLS-nylonhars. Smering en verhoogde spanning helpen ook om overshoot te verminderen en de controle te verbeteren.

Purdubiks kubus maakt gebruik van zes motoren die bevestigd zijn aan een metalen as die zich in het midden van elk vlak van de kubus bevindt. Na verschillende methoden te hebben getest, koos het team voor een trapeziumvormig bewegingssysteem waarmee de robot elk vlak nauwkeurig kan uitlijnen wanneer hij stopt.

Patrohay denkt dat Purdubik zijn eigen record had kunnen verbreken als de kubus van een duurzamer materiaal dan plastic was gemaakt. "Als je een speciale kubus volledig van koolstofvezelcomposiet had gemaakt, denk ik dat hij hogere snelheden aankan. Je had de tijd nog verder kunnen verkorten," zei hij.

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