Wewnątrz najszybszego na świecie robota rozwiązującego kostkę Rubika.

Maszyna do układania kostki Rubika, stworzona przez grupę studentów, ustanowiła rekord świata . Zdjęcie: udostępnione przez zespół .

Grupa studentów Uniwersytetu Purdue ustanowiła niedawno nowy rekord Guinnessa dzięki zaprojektowanemu przez siebie robotowi, który potrafi ułożyć kostkę Rubika w zaledwie 0,103 sekundy. To trzy razy szybciej niż poprzedni rekord ustanowiony przez innego robota.

Za rekordem nie stał robot poruszający się szybciej. Zespół studentów połączył system kamer o wysokiej prędkości, ale niskiej rozdzielczości, specjalnie zaprojektowaną kostkę Rubika o zwiększonej wytrzymałości oraz specjalną technikę rozwiązywania, popularną wśród osób szybko rozwiązujących kostkę Rubika.

Kluczowe różnice w porównaniu z konkurencją.

Wyścig w budowie robotów układających kostkę Rubika rozpoczął się w 2014 roku, kiedy robot złożony z zestawu Lego Mindstorms i korzystający z telefonu Samsung Galaxy S4 ułożył kostkę Rubika w zaledwie 3,253 sekundy. W maju 2024 roku inżynierowie Mitsubishi Electric w Japonii ustanowili rekord świata, układając kostkę Rubika w czasie 0,305 sekundy.

Aby skrócić czas układania kostki Rubika przez robota do mniej niż pół sekundy, zespół zrezygnował z użycia elementów Lego i zamiast tego wykorzystał zoptymalizowane części, takie jak silniki przemysłowe. Aby jednak osiągnąć wynik 0,103 sekundy, zespół z Purdue dopracował prędkość, z jaką robot „widzi” ruch kostki Rubika.

Rozwiązujący kostkę Rubika mogą obserwować kostkę przed uruchomieniem timera. Timer uwzględnia jednak również czas potrzebny robotowi na zidentyfikowanie położenia każdego kolorowego kwadratu na ściankach.

Grupa studentów wykorzystała dwie szybkie kamery wizyjne firmy Flir o rozdzielczości zaledwie 720x540 pikseli, umieszczone w przeciwległych rogach kostki Rubika. Każda kamera mogła jednocześnie obserwować trzy ściany kostki w jednym ujęciu trwającym zaledwie 10 mikrosekund.

Niezwykle szybka technologia rozpoznawania kolorów robota. Zdjęcie: Dostarczone przez autora.

Konwencjonalne aparaty fotograficzne nadal potrzebują czasu na przetworzenie danych z czujnika i przekształcenie ich w obraz cyfrowy. Jednak Purdubik's Cube, robot stworzony przez grupę studencką, wykorzystuje niestandardowy system rozpoznawania obrazu, który całkowicie pomija ten etap przetwarzania obrazu.

System ten koncentruje się na bardzo małym obszarze (128 x 124 pikseli) w obrębie klatki rejestrowanej przez każdą kamerę, co zmniejsza ilość danych wymagających przetworzenia. Surowe dane z czujników są przesyłane bezpośrednio do szybkiego systemu detekcji kolorów, który wykorzystuje wartości RGB z jeszcze mniejszych obszarów próbek, aby określić kolor szybciej niż metody konwencjonalne i oparte na sztucznej inteligencji.

Chociaż ta metoda jest mniej stabilna, może zapewnić spełnienie głównego celu grupy. „Nawet jeśli dokładność wyniesie tylko 90%, to i tak wystarczy. Tak naprawdę potrzebujemy szybkości” – powiedział Patrohay, jeden ze studentów z grupy.

Zoptymalizuj cały system.

Patrohay twierdzi, że każdy poprzedni robot bijący rekordy zazwyczaj poprawiał tylko jedną wyjątkową cechę. Robot stworzony przez zespół studentów MIT (2018) skupił się na wykorzystaniu wysokowydajnego sprzętu przemysłowego. Zespół Mitsubishi Electric wybrał specjalistyczne silniki elektryczne, zoptymalizowane pod kątem obracania każdej ściany kostki Rubika.

Tymczasem zespół z Purdue zdecydował się na łatwo dostępne oprogramowanie, aby zoptymalizować cały system, od kamery i przetwarzania obrazu, po sprzęt i algorytmy rozwiązywania. Wykorzystali Rob-Twophase Eliasa Frantara, algorytm układania kostki Rubika, zaprojektowany specjalnie dla robotów, umożliwiający im wykorzystanie specjalnych możliwości, takich jak jednoczesne obracanie obu stron kostki.

Grupa wykorzystała również technikę, która pozwala im rozpocząć obrót jednej strony kostki Rubika, zanim dokończą obrót drugiej strony prostopadle do niej. Ta metoda pozwala zaoszczędzić sporo czasu, ale grozi uszkodzeniem, a nawet zniszczeniem kostki Rubika, jeśli czas będzie niewłaściwy lub zostanie użyta zbyt duża siła. Dlatego uczniowie musieli dodatkowo dostosować kostkę Rubika, aby wytrzymała siłę nacisku i płynnie działała z tą techniką.

Zgodnie z zasadami World Rubik's Cube Association (WCA) uczestnicy mogą personalizować swoją kostkę Rubika, pod warunkiem, że będzie się ona obracać i działać jak standardowa kostka, z 9 kolorowymi kwadratami na każdej ścianie i 6 ścianami w 6 różnych kolorach. Gracze mogą używać materiałów innych niż plastik, ale kolorowe sekcje muszą mieć tę samą fakturę powierzchni.

Sześć takich silników zostanie przymocowanych do pozostałych boków, których zadaniem będzie obracanie kostki Rubika. Zdjęcie: Dostarczone przez autora.

Aby zwiększyć trwałość, zespół Purdue ulepszył wewnętrzną strukturę kostki Rubika, tworząc jej niestandardową wersję drukowaną w technologii 3D z wytrzymałej żywicy nylonowej SLS. Zwiększone smarowanie i napięcie jednocześnie pomagają ograniczyć nadmierne obroty i poprawić kontrolę.

Kostka Purdubika wykorzystuje sześć silników przymocowanych do metalowych wałków umieszczonych w centralnej części każdej ściany kostki Rubika. Po eksperymentach z różnymi metodami, zespół zdecydował się na zastosowanie trapezoidalnego układu ruchu, aby robot mógł precyzyjnie ustawić każdą ścianę po zatrzymaniu.

Patrohay uważa, że Purdubik mógłby pobić swój własny rekord, gdyby kostka Rubika była trwalsza i wykonana z materiału innego niż plastik. „Gdybyśmy zrobili specjalistyczną kostkę Rubika w całości z kompozytu z włókna węglowego, myślę, że wytrzymałaby ona większe prędkości. To pozwoliłoby nam jeszcze bardziej skrócić czas układania” – powiedział.

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