Внутри самого быстрого в мире робота, собирающего кубик Рубика

Машина для сборки кубика Рубика, установленная группой студентов, установила мировой рекорд. Фото: NVCC .

Группа студентов Университета Пердью недавно установила новый мировой рекорд Гиннесса с помощью разработанного ими робота, собрав кубик Рубика всего за 0,103 секунды. Это в три раза быстрее предыдущего рекорда, установленного другим роботом.

Рекорд был установлен не с помощью более быстрого робота. Студенты объединили высокоскоростную систему камер с низким разрешением, прочный кубик Рубика и особую технику сборки, популярную среди профессионалов скоростной сборки.

Ключевые отличия от конкурентов

Соревнование роботов по сборке кубика Рубика началось в 2014 году, когда робот, собранный из набора Lego Mindstorms и работающий на базе Samsung Galaxy S4, собрал кубик всего за 3,253 секунды. В мае 2024 года инженеры японской компании Mitsubishi Electric заявили о мировом рекорде, собрав кубик за 0,305 секунды.

Чтобы сократить время сборки робота до менее чем половины секунды, команда отказалась от компонентов Lego и заменила их оптимизированными деталями, такими как промышленные двигатели. Но чтобы достичь отметки в 0,103 секунды, команда Университета Пердью немного изменила скорость, с которой их робот «видел» перемещение кубика Рубика.

Скоростной решатель может наблюдать за кубиком до запуска таймера. Однако таймер также учитывает время, необходимое роботу для определения положения каждого цветного квадрата на гранях.

Студенты использовали две высокоскоростные камеры машинного зрения Flir с разрешением всего 720x540 пикселей, расположенные в противоположных углах куба. Каждая камера могла одновременно снимать три грани куба за один кадр длительностью всего 10 микросекунд.

Сверхбыстрая технология распознавания цветов робота. Фото: NVCC.

Обычным камерам требуется время для обработки данных с сенсора и преобразования их в цифровое изображение. Однако «Куб Пёрдубика», как назвали робота студенты, использует специальную систему распознавания изображений, которая полностью пропускает этап обработки.

Система фокусируется на очень небольшой области (128x124 пикселя) в кадре, снятом каждой камерой, сокращая объём данных, требующих обработки. Необработанные данные с сенсора напрямую передаются в высокоскоростную систему определения цвета, которая использует значения RGB из ещё меньших выборочных областей для более быстрого определения цветов, чем традиционные методы и искусственный интеллект.

Хотя метод нестабилен, он может удовлетворить требованиям команды. «Даже если точность составляет всего 90%, этого всё равно достаточно. Что нам действительно нужно, так это скорость», — сказал Патрохей, студент из команды.

Оптимизировать всю систему

Патрохей отметил, что каждый предыдущий робот-рекордсмен обычно улучшал один важный элемент. Робот, созданный студенческой командой Массачусетского технологического института (MIT) в 2018 году, был сосредоточен на использовании высокопроизводительного промышленного оборудования. Команда Mitsubishi Electric выбрала специализированный электродвигатель, разработанный для оптимизации вращения каждой грани кубика Рубика.

Тем временем команда Университета Пердью выбрала готовое программное обеспечение для оптимизации всей системы, от камеры, обработки изображений и аппаратного обеспечения до алгоритма сборки. Они использовали Rob-Twophase Элиаса Франтара — алгоритм сборки кубика Рубика, разработанный специально для роботов, что позволило им использовать особые возможности, например, одновременное вращение двух граней кубика Рубика.

Команда также использовала метод, позволяющий начать вращение одной стороны куба до завершения вращения другой стороны, перпендикулярной ей. Этот метод значительно экономит время, но при этом существует риск повреждения или даже разрушения куба при неправильном расчете времени или при приложении слишком большого усилия. Поэтому студентам также пришлось настроить куб так, чтобы он выдерживал нагрузку и работал плавно, используя этот метод.

Согласно правилам Всемирной ассоциации Рубика (WCA), участники могут собрать свой собственный кубик Рубика, при условии, что он сможет вращаться и функционировать как стандартный кубик с девятью цветными квадратами на каждой грани и шестью гранями шести разных цветов. Игроки могут использовать другие материалы, кроме пластика, но цветные детали должны иметь одинаковую текстуру поверхности.

Шесть таких моторов будут прикреплены к оставшимся сторонам, которые будут вращать кубик Рубика. Фото: NVCC.

Чтобы повысить долговечность, команда Purdue усовершенствовала внутреннюю структуру кубика, используя специальную версию из прочного SLS-нейлона, напечатанную на 3D-принтере. Смазка и повышенное натяжение также помогают уменьшить провисание и улучшить контроль.

Куб Пурдубика использует шесть моторов, прикреплённых к металлическому валу, расположенному по центру каждой грани. Испытав несколько различных методов, команда остановилась на трапециевидной системе движения, которая позволяет роботу точно выравнивать каждую грань при остановке.

Патрохей считает, что Пёрдубик мог бы побить свой собственный рекорд, если бы куб был сделан из более прочного материала, а не из пластика. «Если бы куб был сделан полностью из углеродного композита, думаю, он смог бы выдерживать более высокие скорости. Можно было бы и дальше сокращать время», — сказал он.

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