Wewnątrz najszybszego na świecie robota rozwiązującego kostkę Rubika

Maszyna do układania kostki Rubika, która pobiła światowy rekord, została stworzona przez grupę studentów. Zdjęcie: NVCC .

Grupa studentów Uniwersytetu Purdue ustanowiła niedawno nowy rekord Guinnessa za pomocą samodzielnie zaprojektowanego robota, rozwiązując kostkę Rubika w zaledwie 0,103 sekundy. To trzy razy szybciej niż poprzedni rekord ustanowiony przez innego robota.

Rekordu nie pobił szybszy robot. Studenci połączyli system kamer o wysokiej prędkości, ale niskiej rozdzielczości, kostkę Rubika o zwiększonej wytrzymałości oraz specjalną technikę rozwiązywania, popularną wśród profesjonalistów zajmujących się szybkim rozwiązywaniem zadań.

Kluczowe różnice w stosunku do konkurencji

Wyścig o stworzenie robota układającego kostkę Rubika rozpoczął się w 2014 roku, kiedy robot zbudowany z zestawu Lego Mindstorms i korzystający z telefonu Samsung Galaxy S4 ułożył kostkę w zaledwie 3,253 sekundy. W maju 2024 roku inżynierowie Mitsubishi Electric w Japonii ogłosili, że ustanowili rekord świata, układając kostkę w 0,305 sekundy.

Aby skrócić czas robota do mniej niż pół sekundy, zespół zrezygnował z elementów Lego i zamiast tego wykorzystał zoptymalizowane części, takie jak silniki przemysłowe. Aby jednak osiągnąć granicę 0,103 sekundy, zespół z Purdue zmodyfikował prędkość, z jaką ich robot „widzi” ruchy kostki Rubika.

Osoba rozwiązująca zadanie może obserwować kostkę przed uruchomieniem timera. Timer uwzględnia jednak również czas potrzebny robotowi na zlokalizowanie każdego kolorowego kwadratu na ściankach.

Studenci użyli dwóch szybkich kamer wizyjnych Flir o rozdzielczości zaledwie 720x540 pikseli, umieszczonych w dwóch przeciwległych narożnikach sześcianu. Każda kamera może jednocześnie obserwować trzy ściany sześcianu w jednym ujęciu trwającym zaledwie 10 mikrosekund.

Niezwykle szybka technologia rozpoznawania kolorów robota. Zdjęcie: NVCC.

Konwencjonalne aparaty fotograficzne nadal potrzebują czasu na przetworzenie danych z czujnika i przekształcenie ich w obraz cyfrowy. Jednak Purdubik's Cube, jak nazywa się robot studentów, wykorzystuje niestandardowy system rozpoznawania obrazu, który całkowicie pomija etap przetwarzania obrazu.

System koncentruje się na bardzo małym obszarze (128 x 124 pikseli) w kadrze rejestrowanym przez każdą kamerę, co zmniejsza ilość danych wymaganych do przetworzenia. Surowe dane z czujnika 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 sztuczna inteligencja.

Ta metoda, choć mniej stabilna, mogła spełnić główne wymagania zespołu. „Nawet gdyby dokładność wynosiła tylko 90%, to by wystarczyło. Tak naprawdę potrzebowaliśmy szybkości” – powiedział Patrohay, jeden ze studentów z grupy.

Zoptymalizuj cały system

Patrohay powiedział, że każdy poprzedni robot bijący rekordy zazwyczaj poprawiał jeden ważny element. Robot studenckiego zespołu MIT (2018) skupił się na wykorzystaniu wysokowydajnego sprzętu przemysłowego. Zespół Mitsubishi Electric wybrał specjalistyczny silnik elektryczny, zaprojektowany w celu optymalizacji obrotu każdej ściany kostki Rubika.

Tymczasem zespół z Purdue wybrał gotowe oprogramowanie, aby zoptymalizować cały system – od kamery, przetwarzania obrazu, sprzętu, po algorytm układania. Wykorzystali Rob-Twophase Eliasa Frantara, algorytm układania kostki Rubika opracowany specjalnie dla robotów, umożliwiający im wykorzystanie specjalnych możliwości, takich jak jednoczesne obracanie dwóch ścian kostki Rubika.

Zespół wykorzystał również technikę, która pozwalała im rozpocząć obrót jednej strony sześcianu przed zakończeniem obrotu drugiej strony prostopadle do niej. Ta metoda oszczędzała mnóstwo czasu, ale wiązała się również z ryzykiem uszkodzenia, a nawet rozbicia sześcianu, jeśli czas był nieodpowiedni lub zastosowano zbyt dużą siłę. Dlatego studenci musieli również dostosować sześcian, aby wytrzymać siłę i płynnie operować tą techniką.

Zgodnie z zasadami Światowego Stowarzyszenia Rubika (WCA) uczestnicy mogą spersonalizować własną 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 elementy muszą mieć tę samą fakturę powierzchni.

Do pozostałych boków zostanie przymocowanych 6 takich silników, których zadaniem będzie obracanie kostki Rubika. Zdjęcie: NVCC.

Aby zwiększyć wytrzymałość, zespół Purdue ulepszył wewnętrzną strukturę kostki, dodając do niej niestandardową wersję drukowaną w 3D, wykonaną z mocniejszej żywicy nylonowej SLS. Smarowanie i zwiększone naprężenie pomagają również ograniczyć przeskoki i poprawić kontrolę.

Kostka Purdubika wykorzystuje sześć silników przymocowanych do metalowego wału umieszczonego centralnie na każdej ścianie sześcianu. Po przetestowaniu kilku różnych metod zespół zdecydował się na trapezoidalny układ ruchu, który pozwala robotowi precyzyjnie ustawić każdą ścianę po zatrzymaniu.

Patrohay uważa, że Purdubik mógłby pobić swój własny rekord, gdyby kostka była wykonana z trwalszego materiału niż plastik. „Gdyby zrobić specjalną kostkę w całości z kompozytu z włókna węglowego, myślę, że byłaby w stanie wytrzymać większe prędkości. Można by jeszcze bardziej skrócić czas” – powiedział.

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